Das Gerät mit der feinen Nase
ETH-Wissenschaftler haben die empfindlichsten Analyseger?te für Luft und Gase nochmals deutlich empfindlicher gemacht. Die Instrumente sind damit reif für den Einsatz in der Medizin, der biologischen Forschung und der Forensik.
Wenn es darum geht, geringste Spuren flüchtiger 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 für flüchtige Verbindungen in Luft liegt im Bereich der Konzentration von einem Billionstel – und das in Echtzeit. Mit einer Luftanalyse l?sst sich so beispielsweise in einem Frachtcontainer versteckter Sprengstoff aufspüren, so schnell und empfindlich, wie das Spürhunde k?nnen. Im Gegensatz zu Hunden k?nnen Sinues' Messger?te jedoch eine breite Stoffpalette gleichzeitig analysieren – und sie werden auch nicht müde. Sinues, Privatdozent am Labor für 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 Moleküle an ein handelsübliches Massenspektrometer angeschlossen. Sinues ist seit zehn Jahren führend 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 führte dazu, dass die neuste SESI-Generation fünfmal 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 Stoffwechselmoleküle 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 für den Nachweis eine Handvoll bis einige Dutzend Moleküle in einer Billion Molekülen der Umgebungsluft. ?Diese Empfindlichkeit reicht aus, um unsere SESI-Ger?te für Atemluftanalysen in der Medizin zu verwenden?, sagt Sinues. ?In ersten Versuchen mit dem neuen, verbesserten SESI-Messger?t konnten wir in Atemluft einige Stoffwechselmoleküle messen, die nie zuvor im Atem nachgewiesen werden konnten?, sagt Sinues.
In früheren 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 müssen?, 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 Zürich? vorangetrieben (siehe Kasten unten).
Pflanzenduftstoffe und Weinbau
Die m?glichen Anwendungen der hochempfindlichen und schnellen Spürnasen-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 Nützlinge 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 überzeugt, dass die SESI-Massenspektrometrie diesen Forschungszweig entscheidend weiterbringt und beispielsweise auch im Weinbau angewandt werden k?nnte. ?Die Zusammensetzung von Duftmolekülen 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.
Neues Flagship-Projekt von ?Hochschulmedizin Zürich?
?Hochschulmedizin Zürich? ist ein Verbund von ETH Zürich, der Universit?t Zürich und den hier angesiedelten universit?ren Spit?lern. Vergangenen November gab die Organisation den Start von zwei neuen grossangelegten und langfristigen Forschungsprojekten bekannt. In einem dieser neuen Flagship-Projekte sollen die M?glichkeiten der SESI-Massenspektrometrie in der Atemanlayse ausgelotet werden. Projektleiter sind Renato Zenobi, Professor für analytische Chemie an der ETH Zürich, und Malcolm Kohler, Direktor der Klinik für Pneumologie am Universit?tsspital Zürich. Im Projekt geht es etwa darum, Diabetes oder Schlafapnoe über die Atemluft zu diagnostizieren. Dies w?re schneller, kostengünstiger und für die Patienten angenehmer als etwa Bluttests oder eine Nacht im Schlaflabor.
Der ETH-Dozent Pablo Sinues plant, im Rahmen dieses Flagship-Projekts die Diagnose bakterieller Lungenentzündungen mittels Atemluftanalyse zu erforschen. Heute dauern die Laboranalysen zum Nachweis einer spezifischen Bakterienart oft zwei Tage. Sinues geht davon aus, dass sich der Nachweis mit dem SESI-Ger?t in einer Viertelstunde erbringen l?sst. Denn Bakterien sondern je nach Art unterschiedliche Stoffwechselprodukte ab, welche in der Atemluft nachgewiesen werden k?nnen. ?rzte wüssten so gleich von Beginn an, ob bei einem Patienten eine bakterielle Lungenentzündung vorliegt, und sie k?nnten ihn sofort mit dem Antibiotikum der Wahl behandeln.
Auch Lungenkrebs k?nnte m?glicherweise mittels Atemanalysen diagnostiziert werden. Weitere Einsatzm?glichkeiten in der Medizin: ?rzte k?nnen damit überprüfen, ob ein Patient seine Medikamente eingenommen hat – oder ob er geraucht hat. Bei Patienten, die nach dem Konsum von Designerdrogen ins Spital eingeliefert werden, k?nnen sie schnell herausfinden, welche Substanz sie konsumierten.
Literaturhinweis
Barrios-Collado C, Vidal-de-Miguel G, Sinues PML: Numerical modeling and experimental validation of a universal secondary electrospray ionization source for mass spectrometric gas analysis in real-time. Sensors and Actuators B: Chemical 2016, 223: 217-225, doi: externe Seite 10.1016/j.snb.2015.09.073