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Beiträge von der DETECTA 2004, 10.-11. Juni 2004:
Ionenmobilitätsspektrometrie und Massenspektrometrie in der Gerichtschemie
 |
Werner
Bernhard,
Beat Aebi Institut für Rechtsmedizin, Universität Bern, Schweiz |
Inhaltsverzeichnis
- Einleitung
- Ionenmobilitätsspektrometrie (IMS)
- Gaschromatographie - Ionenmobilitätsspektrometrie (GC-IMS)
- Gaschromatographie - Massenspektrometrie (GC-MS)
- LC-MS
- Methodenvalidierung
- Fazit
Einleitung
Die verlässliche und rasche Analyse von Betäubungsmitteln stellt eine der wichtigsten Herausforderungen in der chemischen Kriminalistik dar. Dazu bietet sich die Ionenmobilitätsspektrometrie (IMS) als hoch empfindliche und selektive Methode an. Die IMS ist eine schnelle Methode. Sie ermöglicht gezielte Probenahme (evtl. in Zusammenarbeit mit trainierten Hunden) vor Ort. Die Bestätigung der IMS-Resultate erfolgt in der Regel mittels GC-MS.
Ionenmobilitätsspektrometrie (IMS)
Abb. 1: Ionenmobilitätsspektrometer
Ablauf einer Analyse
- Probenbeschickung
- Messung
(Dauer ca. 5 s)
- Auswertung der Resultate
Gesamter Zeitbedarf für die Analyse ca. 10 Min.
Bestätigung positiver Befunde mittels GC-MS.
Nachweisgrenze
| Kokain Heroin MDMA (Ecstasy) LSD |
ca. 1
ng ca. 3 ng ca. 0.3 ng ca. 5 ng |
Funktionsweise eines IMS
Abb. 2: Aufbau eines IMS
Die Probe,
ca. 50 ng, wird auf einem Teflonfilter direkt in das IMS
eingeführt. Zur Analyse werden die Spuren thermisch
(280°C) in einen konditionierten Luftstrom (sampling rate ca. 1
L/min) desorbiert. Staubpartikel, Fasern und Fett bleiben auf dem
Filter.
Ionisierung: Die Analyten werden in gasförmigem Zustand durch
eine Transferleitung in die Ionenquelle transportiert. Dort werden in
einer Reaktionskammer durch Beschuss der Gasmischung mit Elektronen
hoher Energie, wie sie von einem Betastrahler (63Ni-Folie) emittiert
werden, sowohl positive als auch negative Ionen erzeugt. Ein Plasma
entsteht. Zum Nachweis positiver Ionen, wird kontinuierlich Nikotinamid
als Reaktandgas eingespeist. Nikotinamid hat eine schwache
Protonenaffinität. Die in erster Linie interessierenden
Substanzen (z.B. Heroin, Kokain, Amphetamin, Methamphetamin, MDMA, THC,
LSD, Psilocin, etc.) weisen eine höhere
Protonenaffinität als Nikotinamid auf und werden protoniert.
Die Messung der Ionenmobilität erfolgt durch die Messung der
Zeit, welche die Ionen benötigen um aus der Ionenquelle an die
Kollektorelektrode der Driftzelle (drift tube) zu gelangen. Die in der
Ionenquelle (ionizing source) gebildeten Ionen werden durch ein
elektronische Türe (gating grid), welche in Abständen
von ca. 20 Millisekunden während einer Zeit von 200
Millisekunden geöffnet wird einem Beschleunigungspotential
ausgesetzt. Die Potenzialdifferenz zwischen dem Repeller und der
Kollektorelektrode beträgt ca. 1800V.
Plasmagram
- 200 Einzelmessungen werden zusammengenommen (Analysenzeit ca. 20 ms)
- sie werden in 10 Detektionsfenster zu 20 Einzelmessungen gruppiert
- bei einem positives Resultat müssen 3 Fenster positiv sein. Die Toleranz der Driftzeit beträgt +/- 50 ms
Anwendungen
- verdächtiges Pulver
- Spuren von illegalen Drogen auf Händen, Kleidern usw.
- Urin- und Haarproben
Plasmagramm von Psilocybin
Abb. 3: Plasmagramm von Psilocybin
Plasmagramm von MDMA und MDEA
Abb. 4: Plasmagramm von Psilocybin
Kokain und Heroin
 Abb. 5: Analyse von Kokain im Nasenabstrich |
 Abb. 6: Durch Schnupfen von Kokain verursachtes Loch in der Nasenscheidewand |
Abb 7: Plasmagramm von Kokain und Heroin
Gepäckkontrolle auf einem Flugplatz
Abb. 8: Flugplatz
Abb. 9: Gepäckkontrolle mit einem IMS
Gaschromatographie - Ionenmobilitätsspektrometrie (GC-IMS)
Vorteile der GC-IMS
Das IMS allein ist für komplexe biologische Proben nicht gut geeignet.
- Komponenten der Matrix werden auch ionisiert
- Substanzen können einander unterdrücken
- Schwierige Gehaltsbestimmung
Vortrennung mittels GC kann die obengenannten Probleme lösen
- Substanzen gelangen getrennt von einander in die Ionisierungskammer
- Weniger Interferenzen = bessere Quantifizierung
- Liefert eine zweite Dimension für die Identifikation
Technisches Konzept
- Gebrauch
des Ionscan® als Detektor für die GC
- Das Ende der Säule wird mit einer "Transfer-Line" mit dem Probeneinlass des IMS verbunden.
Technische Daten des GC-Ionscan®
- GC-Ionscan®:
- Gewicht: 32 kg
- Gewicht: 32 kg
- GC
Details:
- Säule: 15 m MXT1
Metall-Säule mit einem
Innendurchmesser von 0.53 mm (Megabore), 10 cm Wicklung, apolar,
äquivalent zu DB-1, vom Benutzer auswechselbar, verschiedene
Typen überall erhältlich
- Temperatur: bis max. 300°
C, isotherm oder mehrstufiger
Gradient (bis max. 40° C/Min.)
- Split/Splitlos-Injektor
mit Temperatur-Kontrolle
- Transfer Line zum Ionscan®
mit Temperatur-Kontrolle
- Druck des Trägergases einstellbar
- Säule: 15 m MXT1
Metall-Säule mit einem
Innendurchmesser von 0.53 mm (Megabore), 10 cm Wicklung, apolar,
äquivalent zu DB-1, vom Benutzer auswechselbar, verschiedene
Typen überall erhältlich
Analyse von Betäubungsmitteln
- Mischung aus 18 Betäubungsmitteln und rezeptpflichtigen Medikamenten
- Konzentrationen: ca. 1 ng/µL pro Komponente
- Säule: MXT-1, Länge 30 m
- Trägergas: Helium, Druck 20 psi
- Identifikation der Komponenten mittels Retentionszeit in der GC und Driftzeit im IMS
- Analysenzeit < 12 Min.
Abb. 10: GC-IMS von Betäubungsmitteln
Abb. 11: Kontrolle durch Standardverbindungen
Abb. 12: 3D-Plot eines GC-IMS Runs
Gaschromatographie - Massenspektrometrie (GC-MS)
GC-MS Scan Mode/NPD
In unserer Routine werden Kombisysteme GC-MS/NPD zur Verbesserung der Spezifität und der Empfindlichkeit der GC-Analysen eingesetzt. Insbesondere beim basischen Screening ist der NPD der Detektor der Wahl. Durch dessen Spezifität wird das NPD-Chromatogramm im Vergleich zum Totalionenstrom (TIC) wesentlich vereinfacht. Damit sind auch semiquantitative Auswertungen bei gleichzeitiger Erhöhung der Analysensicherheit (An- oder Abwesenheit stickstoffhaltiger Verbindungen) möglich.
Abb. 13: Schema GC-MS/NPD
Beispiel: Methadon in Vollblut
Abb. 14: GC-MS/NPD von Methadon in Vollblut, nach Vortrennung mittels
Festphasen-Extraktion (SPE)
Erweiterte Auswertung der GC-MS-Daten
- "Multiple
Ion"-Detektion:
Vorkommen der Ionen in Referenz-Spektren
Abschätzung der Anzahl C-Atome (1.1% C13-Anteil)
Charakteristische Isotopenverteilungsbilder von Chlor, Brom
- Gesamtes
Spektrum:
Überprüfung des Molekülions
Suche nach Verlust von Neutralteilchen (Neutral loss), Suche nach Strukturen, Suche nach Daten
Vergleich mit anderen unbekannten Spektren
- Gesamtes
Chromatogramm:
"Reversed search", um verwandte Verbindungen zu finden
Überprüfung auf Coelution ähnlicher Background-Peaks
- Andere
Experimente:
Verwendung von Chemischer Ionisation, NPD, ECD, HPLC, LC-MS
- Sehr wichtig sind alle mit dem Fall zusammenhängenden Informationen
Günstige und ungünstige Faktoren
- Günstige Faktoren
- Mit dem Fall zusammenhängende Informationen sind vorhanden
- Chromatogramm mit anderen Metaboliten oder Artefakten
- Möglichkeit nach Strukturen oder ähnlichen Massen-Spektren zu suchen
- Breite Auswahl von Referenzspektren (z.B. NIST, Wiley)
- Neuste Spektrenbibliotheken (PMW v3, AAFS v4, Designer drugs v2)
- Abspeichern von Spektren
bekannter und unbekannter Verbindungen
für den weiteren Gebrauch
- Ungünstige Faktoren
- Spektrum mit nur wenigen, unspezifischen Ionen (z.B. m/z 58, 72)
- Neuere Verbindungen ohne Referenzspektren
- eine einzigartige Verbindung ohne ähnliche Spektren oder Strukturen
Auswertung mit Masslib®
Die Auswertung des TIC wurde weitgehend automatisiert. Durch Einsatz des MassLib-Programmes zusammen mit umfangreichen und aktualisierten Spektrenbibliotheken werden auch in komplexen im "scan mode" aufgezeichneten Chromatogrammen toxikologisch relevante Verbindungen (selbst bei geringen Konzentrationen) im Vergleich zu den sonst üblichen computergestützten Auswertemethoden mit erhöhter Sicherheit erkannt.
- Henneberg-Algorithmus (MPI
Mühlheim): SISCOM
Vergleich von identischen und
ähnlichen Massenspektren - Suche nach Spektren, Daten und Strukturen
- Anzahl von Spektrenbibliotheken nicht begrenzt
- Plattform-unabhängig: Unix, Windows oder NT
- Import der aktuellsten Daten-Formate möglich
Abb. 15
Abb. 16
Abb. 17
Abb. 18
GC-MS, "Single Ion Monitoring" (SIM)
Beispiel: THC in Vollblut
Abb. 19: Metabolismus von THC
- Festphasen-Extraktion mit Bond-Elut Certify
- Derivatisierung mit Methyliodid
- GC-MS Analyse (SIM)
Abb. 20: GC-MS (SIM)
- LOD von THC: ca. 0.5 ng/mL Blut
- LOQ von THC: ca. 1.5 ng/mL Blut
LC-MS
Abb. 21: LC-MS von Zolpidem im Haar
Methodenvalidierung
Generelle Anforderungen an die Kompetenz von Test- und Kalibrier-Labors (ISO/IEC 17025:1999)
Die drei wichtigsten Punkte sind:
- Personal:
- Grundausbildung
- Fachwissen
- Schulung
- Verantwortlichkeiten
- Apparatur:
- zweckmässig
- Leistungstest des Systems
(System Performance Test)
- Dokumentation:
- angemessen (adequate)
- umfassend (comprehensive)
Methodenvalidierung gemäss ISO/EN 17025
Qualitative Analyse:
- Selektivität
- Nachweisgrenze (Limit of detection, LOD)
- Präzision bei der Nachweisgrenze (Precision near LOD / Cut-off)
- Robustheit
Quantitative Analyse:
- Selektivität
- Linearität
- Nachweisgrenze und Bestimmungsgrenze (limit of quantitation, LOQ)
- Abschätzung der Messunsicherheit (neu)
Aufteilung des analytischen Vorgangs in Einzelschritte
- Probenaufbereitung
- Extraktion
- Chromatographische Trennung
- Datenerfassung
- Datenauswertung
Jeder dieser
Punkte muss z.B. mit Standardarbeitsanweisungen (SOP) dokumentiert
werden.
Die korrekte Anwendung der SOP und die Empfindlichkeit der gesamten
Methode (overall sensitivity) kann mit Referenz-Substanzen getestet
werden.
Fazit
- Die
Ionenmobilität hat ein hohes Potenzial in der organischen
Spurenanalyse
- Die Massenspektroskopie ist immer noch der Standard ("gold standard") in der forensischen Toxikologie