Flüchtige organische Verbindungen sind Teil unseres Lebens. Sie befinden sich in fast jeder Umgebung, sei es zu Hause, im Auto, oder am Berggipfel. Meist werden sie von uns nicht bemerkt – mit einer Ausnahme: geruchsaktive Verbindungen werden bewusst wahrgenommen und können starke Reaktionen hervorrufen.

Wie solche Geruchsstoffe an das olfaktorische Epithel gelangen, oder wie sie vom Körper nach Aufnahme wieder abgegeben werden, ist teils noch ungeklärt. On-line Massenspektrometrie geht diesen Prozessen auf die Spur.

Einleitung

Untersuchungen am Menschen werden heutzutage überwiegend an Körperflüssigkeiten wie Blut und Urin, sowie an Körpergewebe durchgeführt. Hingegen ist die analytische und physiologische Bewertung von Gasen, z. B. in der Ausatemluft, noch relativ schwach repräsentiert. Ausnahme hierfür ist das routinemäßige Monitoring in der Intensivstation von einfachen Verbindungen (z. B. O₂ und CO₂) um die Vitalfunktionen von Patienten zu überwachen.

Im Gegensatz hierzu werden komplexere flüchtige organische Verbindungen, oder VOCs („volatile organic compounds“), meist vernachlässigt, obwohl sie ein hohes Potential für Informationen bieten. Die Historie der Atemluftuntersuchung reicht mindestens zweitausend Jahre zurück; schon Hippokrates berichtete über bestimmte Geruchsqualitäten der Atemluft in Zusammenhang mit verschiedenen Krankheiten. In chemisch-analytischer Hinsicht ist dieses Forschungsgebiet allerdings relativ neu, da erst seit verhältnismäßig kurzer Zeit fokussierte und umfangreiche Studien durchgeführt werden, bei denen die Detektion und Identifizierung von gasförmigen VOCs aus der Ausatemluft des Menschen und deren Korrelation mit dem Gesundheitszustand realisiert werden [1].

Basierend auf den Ergebnissen solcher Untersuchungen ist es Ziel, nicht-invasive Früherkennungsmethoden für Krankheiten zu entwickeln. Meist werden Atemluftuntersuchungen mittels gängiger analytischer Methoden wie Gaschromatographie- Massenspektrometrie (GC-MS), u. a. in Kombination mit Anreicherungsmethoden (z. B. Purge & Trap), durchgeführt. Die GC-MSTechnik bietet hier eine sehr ausgereifte und robuste Vorgehensweise mit hoher Auflösung und Empfindlichkeit, allerdings mit einem Nachteil: einem nicht unwesentlichen Zeit- und Arbeitsaufwand.

Gasproben müssen gemäß validen Protokollen gesammelt und verarbeitet werden, und auch die anschließenden Messungen mittels GC-MS sind oft zeitintensiv.

Für Untersuchung von schnellen Prozessen ist die GC-MS Methode also nicht optimal geeignet. Die Echtzeit-Massenspektrometrie bietet hierfür eine Lösung.

On-line Massenspektrometrie: Aufspüren von VOCs in Bruchteilen von Sekunden

Mitte der 90er Jahre wurde das sogenannte Protonentauschreaktions-Massenspektrometer (PTR-MS) für die Echtzeit-Messungen von VOCs entwickelt [2]. Basierend auf dem Prinzip der chemischen Ionisierung erfolgt hierbei die Ionisierung flüchtiger organischer Moleküle aus einer Luftprobe durch protoniertes Wasser (H₃O⁺). Bei einem Zusammenstoß der beiden Reaktionspartner wird ein Proton vom H₃O⁺ auf das VOC übertragen.

Die anschließende Detektion des Produkt-Ions gelingt über ein gekoppeltes Massenspektrometer. Da an die Reaktionskammer des Gerätes ein elektrisches Feld angelegt wird, können die Reaktionsbedingung gemäß den analytischen Bedingungen eingestellt werden [2]. Hierbei resultieren mehrere Vorteile der Methode: die sanfte Ionisierung führt zu einer geringen Fragmentierung der Analyten und häufig zu einem aus dem Mutter-Ion sich ableitenden Hauptsignal. Außerdem laufen die Reaktionen sehr schnell ab (ca. 100 μs) und Produkt-Ionen können somit in Bruchteilen von Sekunden (i. d. R. 50 ms) erfasst werden.

Einsatz der PTR-MS in verschiedensten Forschungsbereichen

Das PTR-MS-Messverfahren wird inzwischen in vielen wissenschaftlichen Bereichen eingesetzt, darunter in der Atmosphären- oder Umweltchemie, für den Nachweis von Sprengstoff oder Narkotika, in der Lebensmittelbranche für Aromafreisetzungsstudien und zur Lebensmittel- Qualitätskontrolle, sowie zunehmend in der Medizin [3].

Im letztgenannten Bereich wird, wie in der Einleitung schon erwähnt, überwiegend an der Zusammensetzung der Atemluft geforscht um mögliche Biomarker bestimmter Krankheiten zu identifizieren. Erste Studien in denen die PTRMS- Methode speziell zum Monitoring dynamischer Prozesse, wie z. B. in der Pharmakokinetik eingesetzt wurde, zeigen die besondere Stärke dieser Technik.

Einfluss von Lebensmitteln und Arzneistoffen auf die Atemgas- Zusammensetzung

Der Forschungsbereich Pharmakokinetik befasst sich mit die Aufnahme, Verteilung, Metabolisierung und Ausscheidung von Fremdstoffen in und aus dem Körper. Die Aufnahme von VOCs erfolgt hierbei über verschiedene Wege, primär jedoch zusammen mit Nahrungsmitteln, u.a. als Aromen, oder über das Einatmen von gasförmigen Substanzen. Je nach Aufnahmeart und den physikochemischen Eigenschaften dieser Verbindungen werden sie – oder deren Abbauprodukte – aus dem Körper wieder freigesetzt.