Das Gerät mit der feinen Nase

Wenn es darum geht, geringste Spuren fl¨¹chtiger chemischer Verbindungen in der Luft zu messen, geh?ren die Analyseger?te in Pablo Sinues' Labor zu den weltweit empfindlichsten. Man findet mit ihnen sprichw?rtlich die Nadel im Heuhaufen: Die Nachweisgrenze f¨¹r fl¨¹chtige Verbindungen in Luft liegt im Bereich der Konzentration von einem Billionstel ¨C und das in Echtzeit. Mit einer Luftanalyse l?sst sich so beispielsweise in einem Frachtcontainer versteckter Sprengstoff aufsp¨¹ren, so schnell und empfindlich, wie das Sp¨¹rhunde k?nnen. Im Gegensatz zu Hunden k?nnen Sinues' Messger?te jedoch eine breite Stoffpalette gleichzeitig analysieren ¨C und sie werden auch nicht m¨¹de. Sinues, Privatdozent am Labor f¨¹r Organische Chemie, hat nun die bereits grosse Empfindlichkeit der Messger?te nochmals erh?ht.

Bei seinen Messger?ten handelt es sich um speziell angepasste Massenspektrometer, in der die Proben vor der Messung elektrisch aufgeladen (ionisiert) werden. Sekund?re Elektrospray-Ionisierung (SESI) heisst die Technik. Dabei wird ein Ger?t zur Ionisierung der in der Luft vorhandenen Molek¨¹le an ein handels¨¹bliches Massenspektrometer angeschlossen. Sinues ist seit zehn Jahren f¨¹hrend bei der Entwicklung dieser Technik, die der er damals als Doktorand bei einem Aufenthalt an der Yale University kennenlernte. Gemeinsam mit Forschern einer Spin-off-Firma in Spanien, welche die Technik heute vermarktet, und mit denen er im Rahmen eines EU-Forschungsprojekts zusammenarbeitet, konnte er nun die Geometrie der SESI-Ionisierungskammer optimieren. Das f¨¹hrte dazu, dass die neuste SESI-Generation f¨¹nfmal empfindlicher ist als die Vorg?ngergeneration.

Um dies zu erreichen, erstellten die Forscher ein Computermodell der Ionisierungskammer, in dem sie den Ionsierungsvorgang im Detail simulieren k?nnen. ?Dieses Modell half uns, das ideale Design der Kammer zu finden?, so Sinues.

Neue Stoffwechselmolek¨¹le nachgewiesen

In Experimenten mit einem verbesserten SESI-Ger?t konnten die Wissenschaftler ?usserst geringe Konzentrationen von Medikamenten und k?rpereigenen Hormonen, welche sie in Luft zerst?ubten, nachweisen: Je nach Verbindung reichten f¨¹r den Nachweis eine Handvoll bis einige Dutzend Molek¨¹le in einer Billion Molek¨¹len der Umgebungsluft. ?Diese Empfindlichkeit reicht aus, um unsere  SESI-Ger?te f¨¹r Atemluftanalysen in der Medizin zu verwenden?, sagt Sinues. ?In ersten Versuchen mit dem neuen, verbesserten SESI-Messger?t konnten wir in Atemluft einige Stoffwechselmolek¨¹le messen, die nie zuvor im Atem nachgewiesen werden konnten?, sagt Sinues.

In fr¨¹heren Studien hat Sinues zusammen mit Kollegen gezeigt, dass sich die Aufnahme und der Abbau von Medikamenten im K?rper von Versuchsm?usen anhand einer Atemluftanalyse nachvollziehen l?sst. ?Unsere Methode k?nnte dereinst Klinikmitarbeitern helfen, um zu entscheiden, wann sie Patienten eine erneute Dosis eines Medikaments verabreichen m¨¹ssen?, so der ETH-Dozent. Der Einsatz der Technik in der Klinik wird in den kommenden Jahren im Rahmen eines neuen Flagship-Projekts unter der ?gide von ?Hochschulmedizin Z¨¹rich? vorangetrieben (siehe Kasten unten).

Pflanzenduftstoffe und Weinbau

Die m?glichen Anwendungen der hochempfindlichen und schnellen Sp¨¹rnasen-Instrumente beschr?nken sich nicht auf die Medizin und den Nachweis von Sprengstoffen. Gemeinsam mit Kollegen setzt Sinues die Methode derzeit in einem biologischen Forschungsprojekt ein. Bei Sch?dlingsbefall produzieren Pflanzen Duftstoffe, um N¨¹tzlinge anzulocken und um Nachbarpflanzen vor dem Sch?dlingsbefall zu warnen. Wegen der geringen Konzentrationen der Duftstoffe ist ihr Nachweis allerdings schwierig, und weil die Pflanzen sehr schnell darauf reagieren braucht es Echtzeit-Messger?te. Sinues ist ¨¹berzeugt, dass die SESI-Massenspektrometrie diesen Forschungszweig entscheidend weiterbringt und beispielsweise auch im Weinbau angewandt werden k?nnte. ?Die Zusammensetzung von Duftmolek¨¹len der Weintrauben ?ndert sich w?hrend der Traubenreifung?, erkl?rt er. Seine Methode k?nne helfen, anhand dieses Bouquets den optimalen Erntezeitpunkt der Weintrauben festzustellen.