Die Ionenmobilitätsspektrometrie

Eine immer noch unterschätzte analytische Technik

  • Abb. 1: Beispiel eines GC-IMS-Chromatogramms des  Substanzmusters, das in der Atemluft eines jeden  Menschen zu finden ist: Die Lage der einzelnen Peaks  erlaubt die Identifikation der zugrundeliegenden  Substanzen, ihre Höhe ist ein Maß für  die Konzentration. Abb. 1: Beispiel eines GC-IMS-Chromatogramms des Substanzmusters, das in der Atemluft eines jeden Menschen zu finden ist: Die Lage der einzelnen Peaks erlaubt die Identifikation der zugrundeliegenden Substanzen, ihre Höhe ist ein Maß für die Konzentration.
  • Abb. 1: Beispiel eines GC-IMS-Chromatogramms des  Substanzmusters, das in der Atemluft eines jeden  Menschen zu finden ist: Die Lage der einzelnen Peaks  erlaubt die Identifikation der zugrundeliegenden  Substanzen, ihre Höhe ist ein Maß für  die Konzentration.
  • Abb. 2: Schema des Aufbaus eines mit unterschiedlichen Komponenten kombinierten Ionenmobilitätsspektrometers.

Die Ionenmobilitätsspekrometrie, insbesondere gekoppelt mit schneller gaschromatographischer Vortrennung, verbindet große Selektivität und Nachweisstärke mit geringem experimentellem Aufwand. Dies wirkt sich günstig auf die Größe der Geräte wie auch auf deren Preis aus. Dennoch ist der breite Einsatz des Verfahrens nach wie vor weitgehend auf die Detektion von Drogen und Explosivstoffen an Flughäfen und auf den Nachweis von Kampfstoffen für das Militär beschränkt. In jüngster Zeit kommt der Einsatz der Ionenmobilitätsspektrometrie als Vortrennung für die Massenspektrometrie hinzu. Die Etablierung der Methode in anderen Anwendungsfeldern, gerade dort, wo schnelle Ergebnisse von relativ preisgünstigen, ggf. auch mobilen Geräten von Vorteil wären, ist jedoch bislang nicht zu beobachten, obwohl die Realisierung z. T. schon gezeigt wurde.

Die Funktionsweise der Ionenmobilitätsspektrometrie (IMS) beruht auf der Ionisation der Bestandteile einer gasförmigen Probe, der Beschleunigung der Ionen durch ein schwaches elektrisches Feld und das gleichzeitige Abbremsen dieser Ionen durch Stöße mit dem sogenannten Driftgas [1]. Die Häufigkeit der Stöße hängt ab von Form und Größe der Ionen (also dem Stoßquerschnitt) und führt zu einer für das Ion spezifischen Driftgeschwindigkeit, welche gemessen wird und nach einfachen Normierungen eine Identifikation des Molekülions erlaubt. Die Detektion der Ionen mittels einer Faradayplatte erlaubt zudem eine quantitative Messung – die Anzahl der detektierten Ionen ist ein Maß für die Konzentration der Moleküle in der Probe. Im Falle einer sehr komplexen, evtl. auch feuchten Probe – und dies ist bei zahlreichen aktuellen Anwendungen der Fall – führt die gleichzeitige Präsenz vieler unterschiedlicher Ionen zur Clusterbildung, welche schließlich die Identifikation der Molekülionen verhindert. Aus diesem Grund wird hier häufig die gaschromatographische Trennung (GC) eingesetzt, um die Moleküle zeitlich getrennt der Ionisation zuzuführen und so die Clusterbildung zu verhindern. Zudem erhält man in einem GC-IMS mit der Retentionszeit ein zusätzliches Maß für die Identifikation der Moleküle (Abb. 1). Da IMS unter Atmosphärendruck und Umgebungstemperatur betrieben werden können, hält sich der experimentelle Aufwand – beispielsweise im Vergleich zur Massenspektrometrie – in Grenzen.

Die Größe des eigentlichen IMS (üblicherweise wenige Zentimeter) hängt ab von der für eine spezielle Anwendung benötigten Auflösung und beeinflusst wiederum den Aufwand für die Hochspannungsversorgung. Es liegt also auf der Hand, dass solche Geräte relativ gut miniaturisiert werden können. Daher sind inzwischen auch erste kommerzielle mobile, „hand-held“ GC-IMS auf dem Markt. Durch den Einsatz interner Gaskreisläufe und Batterien für die Stromversorgung ist auch ein vollständig autonomer Betrieb möglich.

Abgesehen von der fortschreitenden Miniaturisierung des IMS als Kernstück eines analytischen Systems ist gerade die Möglichkeit zur modularen Kombination des eigentlichen Spektrometers mit weiteren, jeweils an die spezielle Anwendung angepassten Komponenten (Abb. 2) ein starkes Argument für das Potential von „hyphenated“ IMS [2].
 
Alternative Strahlungsquellen
Um die unpopulären radioaktiven Quellen für die Ionisierung zu vermeiden lassen sich beispielsweise auch Elektronenemitter und Röntgenlampen gut miniaturisieren und entsprechend im IMS einsetzen [3]. Aber auch Plasmen sind zur Ionisation geeignet, wie schon früher gezeigt [4]. Allerdings ist u. U. ein zusätzliches Plasma-Gas nötig. Dieses Problem könnte, zusammen mit einer weitgehenden Miniaturisierung [5], jedoch in naher Zukunft ebenfalls gelöst werden.
 
Anwendungen
Qualitäts- und Prozesskontrolle
In der industriellen Qualitäts- und Prozesskontrolle wurden GC-IMS schon für die Charakterisierung der Gemische für Reifengummi, die Qualitätskontrolle an Wasserstofftankstellen oder die Überwachung von Polymerisationsprozessen eingesetzt. Auch für Bio-Prozesskontrolle geschah dies bereits erfolgreich, wie am Beispiel des kontinuierlichen Monitorings der Biergärung gezeigt. Dies erschließt das Anwendungsfeld der Lebensmittelqualität und -sicherheit. Hierbei konnte in vielen Studien gezeigt werden, dass GC-IMS geeignet ist, den Frischegrad (z. B. von Fisch) als auch die Herkunft vieler Lebensmittel – beispielsweise Olivenöl und Gewürzen – zu charakterisieren. Schließlich lassen sich auch Aromastoffe ebenso wie Kontaminationen von Lebensmitteln mit z. B. Pestiziden oder durch Mikroorganismen detektieren.
(Mikro-)Biologie und Medizin
Tatsächlich lassen sich Mikroorganismen wie Bakterien oder Pilze über ihre flüchtigen Metaboliten identifizieren. Dies gilt ebenso für höhere Lebensformen: Es wurde bereits dokumentiert, dass sich Pflanzen an ihrem Geruch unterscheiden lassen. Eine Erkenntnis, welche den Einsatz von GC-IMS zum Biodiversitätsmonitoring ermöglicht.
Das Potential einer schnellen Identifikation von Bakterien ist auch schon in medizinischen Studien beobachtet worden. Auf diese Weise könnten so frühzeitig eine gezieltere Antibiotikatherapie eingeleitet werden. In diesem Zusammenhang kann die Identifikation von Bakterien und Pilzen wohl auch auf den ausgestoßenen Atem ausgeweitet werden, wie Tierversuche bereits eindeutig belegen. Die schnelle und nicht-invasive Analyse der Atemluft erlaubt aber nicht nur die Identifikation von Bakterien, sondern anhand der Beobachtungen auch die Diagnostik bestimmter Krankheiten wie z. B. die Niereninsuffizienz oder COPD. Da es sich um ein quantitatives Verfahren handelt, kann nach der Diagnose auch die Erfolgskontrolle einer eingeleiteten Therapie erfolgen. An dieser Stelle sei auch der erfolgreiche Nachweis von Medikamenten in der Ausatemluft genannt. Beispiele hierfür sind neben Anästhetika auch Psychopharmaka. Für Propofol gibt es mittlerweile sogar ein zugelassenes System auf dem Medizingerätemarkt.
Neben der Atemluft lässt sich aber auch Schweiß über seine flüchtigen Bestandteile charakterisieren. Es wurden bereits erste Hinweise dafür gefunden, dass diese nicht nur durch physische Einflüsse wie Ernährung, Krankheit oder Medikation beeinflusst werden, sondern dass auch Angstschweiß eine andere chemische Zusammensetzung hat als „normaler“ Schweiß.
 
Forensik
Auch auf die Gerichtsmedizin könnte das Anwendungsfeld dieser Methode erweitert werden. Zwar wird GC-IMS schon routinemäßig zur Detektion von Drogen, Sprengstoff oder Kampfstoffen eingesetzt, aber der schnelle und nicht-invasive Nachweis von Drogenkonsum ist neu. Es wird vermutet, dass sich neben Cannabis, Alkohol und Medikamenten wie Propofol auch weitere gängige Drogen in dieser Weise detektieren lassen. Allerdings sind Studien hierzu aus ethischen Gesichtspunkten schwierig.
Außerdem lassen sich Brandbeschleuniger gut mit GC-IMS nachweisen und es ist sogar möglich, Falschgeld von „richtigem“ Geld mittels GC-IMS zu unterscheiden.
In vielen Atemluftanalysen sind neben der Identifikation von spezifischen Signalen nach dem Konsum von Drogen oder während einer Erkrankung auch ein Metabolitmuster beschrieben worden, dass sich in der Ausatemluft eines jeden Menschen wiederfinden. So konnte gezeigt werden, dass man mittels dieses Musters verschüttete oder versteckte Personen zuverlässig entdecken kann.
Da sich auch toxische Industriegase mit GC-IMS detektieren lassen, wäre z. B. im Fall eines Chemieunfalls ein entsprechend ausgerüstetes Rettungspersonal bei der Lokalisierung und Identifizierung der Gefahrenquelle deutlich im Vorteil.
 
Fazit
GC-IMS ist extrem flexibel optimierbar und adaptierbar für eine außerordentlich große Zahl verschiedenster Anwendungen, insbesondere durch die Auswahl der Ionisierung, der Anpassung der Probenahme, der Auswahl einer geeigneten Vortrennung und optionalen Einsatz einer in-line Anreicherung zur die Erhöhung der Nachweisstärke. Aber vielleicht ist genau dies auch der Grund für das immer noch mehr oder weniger Nischendasein der Methode in der Analytik. Die Methodenentwicklung für eine spezielle Anwendung ist zum Teil sehr aufwändig:
 
  • Szenario 1: Die zu detektierenden Substanzen sind bekannt. Es erfolgt die Auswahl der geeigneten Vortrennung und anschließend die Kalibrierung des GC-IMS mit den zu detektierenden Substanzen im relevanten Konzentrationsbereich.
  • Szenario 2: Die zu detektierenden Substanzen sind unbekannt. Es müssen viele Proben mit den unterschiedlichen gesuchten Charakteristika gemessen werden, um ein Signalmuster zu identifizieren, welches die Charakteristika abbildet. Anschließend erfolgt die Identifikation der für diese Signale verantwortlichen Substanzen durch Referenzmessungen mittels GC/MS und nachfolgender Validierung mittels Referenzsubstanzen. Dann wird das GC-IMS mit den zu detektierenden Substanzen im relevanten Konzentrationsbereich kalibriert und Algorithmen zur Interpretation der gemessenen Substanzmuster entwickelt.
Nach der Methodenentwicklung steht dann ein robustes, mobiles und nicht-invasives Analysengerät zur Verfügung, welches sich im Vergleich zur Massenspektrometrie durch Mobilität, die hohe Nachweisstärke und den geringeren Preis auszeichnet.

 

Autor
Wolfgang Vautz

 

Kontakt   
Dr. Wolfgang Vautz

ION-GAS GmbH
w.vautz@ion-gas.de
Leibniz-Institut für Analytische
Wissenschaften – ISAS – e.V.
vautz@isas.de
Dortmund, Deutschland

 

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Literatur

[1]          Eiceman GA, Karpas Z. Ion mobility spectrometry. CRC Press, Boca Raton, Ann Arbor, London, Tokyo, 1994

[2]          Vautz W, Franzke J, Zampolli S, Elmi I, Liedtke S. On the potential of ion mobility spectrometry coupled to GC pre-separation - A tutorial. Analytica Chimica Acta 2018;1024:52e64

[3]          Erik Bunert, Ansgar T. Kirk, Oliver Käbein, Stefan Zimmermann. Comparison of spatial ion distributions from different ionization sources. International Journal for Ion Mobility Spectrometry 2019 22(1),  21–29

[4]          S.B. Olenici-Craciunescu, A. Michels, C. Meyer, R. Heming, S. Tombrink, W. Vautz, J. Franzke: Characterization of a capillary dielectric barrier plasma jet for use as a soft ionization source by optical emission and ion mobility spectrometry. Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy 2009 64(11–12), 1253-1258

[5]          Sebastian Brandt, Felix David Klute, Alexander Schütz, Ulrich Marggraf, Carolin Drees, Pascal Vogel, Wolfgang Vautz, Joachim Franzke: Flexible Microtube Plasma (FμTP) as an Embedded Ionization Source for a Microchip Mass Spectrometer Interface. Anal. Chem. 2018, 90, 17, 10111-10116

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Leibniz Institut für Analytische Wissenschaften – ISAS – e.V.
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