Von der Probe zum Ergebnis – eine Übersicht über die Laborarbeit

Das Sammeln von Proben in der Nordsee ist ein komplexer Prozess und erfordert eine Menge Planung und Zeit. Wir sammeln Problem von Wasser und dem Sediment, aber auch Muscheln, Fische und andere Lebewesen wie Seesterne, Algen und Krebse; außerdem setzten wir sogenannte Passiv-Sampler ein. In allen Problem könnten kleinere oder größere Mengen an brisanten Chemikalien enthalten sein.

Die Arbeit, im Labor von der Probe zu einem Ergebnis zu kommen, ist jedoch ebenso zeitaufwendig wie die Entnahme. Doch was genau muss ein:e Wissenschaftler:in tun, um aus dem Probenmaterial ein möglichst aussagekräftiges Messergebnis zu generieren?

Je nach Ausgangsmaterial lässt sich die Labor-Analyse in drei Hauptschritte einteilen: Das Probenmaterial wird gewaschen oder getrocknet, dann wird es extrahiert und schließlich wird mit Instrumenten untersucht, ob und in welcher Menge explosive Chemikalien in den Proben vorhanden sind.

Vorbereitung der Proben

In einer Probe aus dem Meer enthält in der Regel viele andere Substanzen, die die Messungen stören können. Dazu gehört z. B. Wasser: Lebende Organismen und Sediment enthalten viel Wasser. Um das Wasser zu entfernen, wird das Material, d. h. das Sediment oder die Muscheln, gefriergetrocknet. Dazu werden die Proben tiefgefroren und der Druck wird reduziert, sodass das Wasser in den Proben direkt von einer flüssigen in eine gasförmige Form übergeht.

Das ist ein guter Trick, denn mit dieser Methode kann die Trocknung besonders schonend erfolgen. Das Wasser stört nicht mehr bei der anschließenden Analyse und die eventuell darin enthaltenen Sprengstoffe bleiben erhalten. Das Probenmaterial kann dann pulverisiert und extrahiert werden. Dazu werden bestimmte Lösungsmittel verwendet, in denen sich die Sprengstoffchemikalien besonders gut auflösen.

Wasserproben können allerdings nicht im Ganzen gefriergetrocknet werden. Eine Wasserprobe besteht aus einem Liter Wasser, was zu viel für diese Methode ist. Deshalb wird hier die sogenannte Festphasenextraktion angewandt. Dazu werden die Wasserproben mithilfe einer kleinen Kartusche gefiltert, die nicht größer als eine Spritze ist, wie es sie in jeder Arztpraxis gibt. Die Spritze enthält ein Material, an das sich die im Wasser gelösten Stoffe binden und so aus der Wasserprobe herausgefiltert werden.

Nachdem das Wasser durchgelaufen ist, können die aufgefangenen Stoffe mit einem speziellen Lösungsmittel wieder aus dem Material herausgelöst und analysiert werden. Die Probe ist nun frei von anderen störenden Substanzen und gleichzeitig so konzentriert, dass das Messgerät auch Spuren des Sprengstoffs nachweisen kann, die in einem ganzen Liter Wasser nicht erfasst worden wären.

Besser als im Film: Spurenanalyse mit Gaschromatographie-Massenspektrometrie (GC-MS)

Nachdem aus den Proben alle Verunreinigungen entfernt wurden und die sogenannten Analyten in möglichst konzentrierter Form vorliegen, müssen sie nun noch analysiert werden. Dies geschieht mit der Gaschromatographie-Massenspektrometrie, kurz GC-MS. Viele Menschen ist dieses Messgerät sicherlich aus Kriminalfilmen und Fernsehserien bekannt. Auch im realen Leben ist dieses Messgerät aus der Wissenschaft nicht mehr wegzudenken und wird dort auch zur Aufklärung von realen Verbrechen eingesetzt.

Mithilfe eines GC-MS können selbst kleinste Spuren einer Substanz identifiziert werden und es ist sogar möglich, deren genaue Menge zu bestimmen. So kann zum Beispiel festgestellt werden, ob eine verdächtige Person eine illegale Droge konsumiert hat, indem einfach eine kleine Menge des Blutes dieser Person analysiert wird. Wir nutzen das gleiche Prinzip: In unserem Fall handelt es sich aber nicht um eine verdächtige Person, sondern um Proben aus dem Meer und statt Rauschgiften suchen wir nach explosiven Chemikalien.

Wie genau funktioniert die GC-MS-Methode?

Diese Methode gliedert sich in zwei Schritte: Zunächst betrachten wir den Gaschromatographen (GC). Dieses Gerät besteht aus einem Ofen und einer Trennsäule. Die Proben werden bei einer bestimmten Temperatur im Ofen verdampft. Dieser Dampf strömt dann durch die Trennsäule. Die Säule enthält ein Material, an das sich die verschiedenen Stoffe in der Probe unterschiedlich stark binden.

Je nachdem, wie stark diese sogenannte Adsorption ist, desto länger verbleiben sie in der Trennsäule. Die Analyten verlassen nach und nach die Trennsäule und das Messgerät, das Massenspektrometer (MS), ist nun in der Lage, jeden noch so kleinen Stoff zu identifizieren und auch seine Menge zu bestimmen.

Das Prinzip des Massenspektrometers kann wie folgt erklärt werden: Jeder Stoff hat eine bestimmte chemische Struktur. Ein Molekül besteht aus verschiedenen Arten von Atomen. Oft bestehen sie fast ausschließlich aus den Elementen Kohlenstoff, Sauerstoff und Wasserstoff. Je nach Stoff sind auch Stickstoff, Schwefel und andere Elemente vorhanden.

Sprengstoffe enthalten in der Regel viele Sauerstoff- und Stickstoffatome. Diese verbinden sich zu einer sehr charakteristischen Struktur. Im Massenspektrometer werden diese Moleküle mit verschiedenen Methoden in kleinere Einheiten zerlegt.

So werden sie beispielsweise durch den Eintrag von kurzen, aber großen Energiemengen in Fragmente zerlegt oder mit Ionen beschossen. Die entstehenden Fragmente sind für jede chemische Substanz sehr charakteristisch und können nun mit Hilfe von sogenannten Substanzbibliotheken identifiziert werden.

Dazu wurde das Massenspektrometer mit verschiedenen bekannten Sprengstoffen trainiert, so dass der Detektor nun in der Lage ist, eine unbekannte Substanz diesen Stoffen zuzuordnen. Er kann auch feststellen, wie viel von einer Substanz in einer Probe enthalten ist. Sind die Mengen sehr gering, wie es bei den Sprengstoffen in unseren Meeresproben der Fall ist, müssen speziell geschulte Wissenschaftler:innen jede Probe genau prüfen, ob sie vom Messgerät wirklich richtig zugeordnet wurde.

Und wie geht es weiter?

Am Ende wissen wir, ob explosive Chemikalien und deren Metaboliten (Zwischenprodukte) in einer Probe enthalten sind – und wie viele es sind. Toxikolog:innen können nun anhand dieser Werte abschätzen, ob die gemessenen Konzentrationen in einer Wasserprobe, in Fischen oder Muscheln gefährlich für Meeresorganismen oder vielleicht sogar für den Menschen sind.

Ein Messwert allein hat allerdings noch keine Aussagekraft. Erst im Vergleich mit Ergebnissen aus Laboruntersuchungen kann eine Aussage darüber getroffen werden, ob eine brisante Chemikalie in der Umwelt als problematisch anzusehen ist oder nicht.