Massen-Spektrometrie verlässt das Labor

In einem Forschungsinstitut in Indianapolis nimmt ein Student eine Tablette mit einem typischen Antihistaminikum, einem Mittel gegen Allergien, ein. Rund 40 Minuten später weisen Forscher das Medikament in seinem Körper nach, indem sie ihm Alkohol und etwas Wasser auf den Finger sprühen und die Mixtur dann anschließend mit Standard-Laborgeräten untersuchen.

Das ist keine Szene aus einer futuristischen Fernsehserie, sondern die Demonstration einer neuen Analyse-Technik, die der analytische Chemiker R. Graham Cooks mit seinen Kollegen an der Purdue-Universität entwickelt hat. Die neue Methode erweitert das Einsatzfeld einer verbreiteten Labortechnik namens Massen-Spektrometrie -- und könnte demnächst Ärzten und Gerichtsmedizinern dabei helfen, direkt vor Ort herauszufinden, welche Substanzen sich auf Oberflächen wie Holz, Kleidung oder der Haut befinden. Proben müssten dann nicht mehr ans Labor geschickt werden, auch die Wartezeit auf die Ergebnisse entfiele.

"Die Methode gibt einem alten Hund eine neue Nase", sagt John Fenn, ein analytischer Chemiker an der Virginia Commonwealth University. Fenn erhielt für die Entwicklung der Technik, auf der die neue Analyse basiert, vor zwei Jahren einen Teil des Nobelpreises für Chemie. "Das ist alles sehr aufregend", sagt er.

Mit der Massen-Spektrometrie werden unbekannte Proben untersucht, indem ihr molekulares Gewicht genau gemessen wird. Um die Substanzen so zu analysieren, müssen die Moleküle allerdings elektrisch geladen werden. Dieser Ionisierungsprozess erfordert den Einsatz von großen Vakuumkammern oder zumindest eine komplexe Vorbereitung der Proben, was den Nutzen der Massen-Spektrometrie bisher auf den Labor-Einsatz beschränkt.

Cooks' neue Technik dagegen benötigt weder spezielle Probenvorbereitungen noch ein Vakuum. Stattdessen wird ein elektrisch geladener Strahl von unter Druck stehenden Flüssigkeiten wie etwa Wasser oder Alkohol (oder eine Mischung aus beidem) auf die zu analysierende Oberfläche gesprüht. Die Tröpfchen agieren als mikroskopisch kleine Projektile, die unsichtbare Stückchen der Probe abschlagen und auf diese Moleküle zugleich Ladung übertragen. Die Tröpfchen mit den Proben-Molekülen lassen sich dann in ein normales Massen-Spektrometer einbringen.

Ganz oben auf Cooks' Anwendungsliste für die neue Analysetechnik stehen die Bereiche Forensik und öffentliche Sicherheit. "Man könnte sie an einem Tatort einsetzen oder direkt einen Verdächtigen untersuchen", sagt er. Eine andere Anwendung sei die Flughafensicherheit, wo Beamte Sprengstoffablagerungen an Koffern oder Passagieren genauer und schneller identifizieren könnten als mit herkömmlichen Methoden. Fenn setzt die Liste fort: "Man kann sich Erdboden oder Fahrzeuge ansehen -- oder alles mögliche andere -- und nach giftigen Substanzen, chemischen oder sogar biologischen Kampfstoffen suchen."

Cooks' neue Methode ermöglicht es Forschern, jedes gewöhnliche Material zu untersuchen, sei es nun Stoff, Leder oder Papier, und es dabei zu bewegen. Das macht es möglich, eine vollständige Oberfläche in nur einem einzigen Experiment zu untersuchen. So ließe sich beispielsweise ein ganzer Koffer auf Sprengstoff-Spuren untersuchen, anstatt Einzelproben an verschiedenen Stellen zu nehmen, sagt Cooks. Sein Team konnte im Labor bereits 20 Proben pro Sekunde analysieren -- und das mit einer Empfindlichkeit, die mit der der konventionellen Massen-Spektrometrie vergleichbar ist.

Vor Ort eingesetzt, wird das Spray-System mit einem Massen-Spektrometer im Miniaturformat kombiniert, sagt Cooks. Ein solches wird von seinem Team derzeit parallel entwickelt. In den letzten vier bis fünf Jahren baute Cooks' Gruppe ein vollständiges Instrument, das nur 16 Kilogramm wiegt. "Man kann es wie einen Rucksack transportieren", sagt Cooks. Er hofft, eine noch kleinere "Handheld"-Version zu entwickeln. Dazu kooperiert er mit Forschern an den Sandia National Labs.

Andere Forscher sagen wichtige medizinische Anwendungsfelder voraus. "Ein starkes Anwendungsgebiet wäre die Analyse von Medikamenten-Molekülen", sagt Garry Siuzdak vom Center for Mass Spectrometry am Scripps Research Institute in Kalifornien. Cooks' Spray-Technik könnte dazu genutzt werden, eine Vielzahl von Blutproben schnell zu analysieren. So ließe sich feststellen, welche Chemikalien der Körper produziert, wenn ein Medikament in den Stoffwechsel gelangt. Die neue Technik könnte die ganze Medikamentenentwicklung beschleunigen, sagt Siuzdak.

Das Experiment, bei dem das Cooks-Team ein eingenommenes Antihistaminikum über die Hautanalyse bei einer Testperson feststellte, fasziniert sowohl Siuzdak als auch Fenn. "Das ist wirklich beeindruckend", sagt Siuzdak. "Graham hat hier etwas Hochinteressantes und Innovatives getan." Laut Fenn eröffnet der Versuch die Möglichkeit, sofort zu diagnostizieren, welche Medikamente ein Patient eingenommen hat oder welche fremden Substanzen sich in seinem Körper befinden. "Das Bemerkenswerte daran ist, dass man das alles von der Haut einer Person ablesen kann -- völlig schmerzfrei und ungefährlich", sagt er. Kombiniert mit einem tragbaren Massen-Spektrometer könnte die Technik in der Notaufnahme oder im Krankenwagen eingesetzt werden.

Bevor das alles aber möglich wird, müssen die Forscher aber noch einige Fragen beantworten. Sie müssen zum Beispiel feststellen, welche Art von Oberflächen analysiert werden können, welche Substanzen verlässlich identifiziert werden und wie empfindlich die Methode letztlich ist. "Es kann sein, dass uns etwas entgeht", räumt Cooks ein. "Wir experimentieren erst seit ein paar Monaten. Ich kann nicht behaupten, dass es eine universelle Methode ist." Trotzdem hat die Purdue-Universität die Technik bereits an ein Startup namens Prosolia lizensiert, das ein kommerzielles Produkt daraus entwickeln will. (sma)