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Bernsteinanalytik Echtheit und Ursprung von Bernstein bestimmen

Autor / Redakteur: GUIDO DEUßING* / Dr. Ilka Ottleben

Bernstein erfreut sich als Schmuck-, Kunst- und Heilstein größter Beliebtheit. Um seine Herkunft und Echtheit zu überprüfen, braucht es die instrumentelle Analytik. Die Gaschromatographie gekoppelt an die Thermodesorption und Pyrolyse erweist sich als attraktive Ergänzung zu gängigen optischen Verfahren.

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Abb. 3: Vergleich der Chromatogramme nach Pyrolyse-GC/MS und Thermochemolyse-GC/MS von Eozän-Bernstein aus Nigeria. (FAME: Fettsäuremethylester/FA: Fettsäuren; Beschreibung für Beschriftung im Text).
Abb. 3: Vergleich der Chromatogramme nach Pyrolyse-GC/MS und Thermochemolyse-GC/MS von Eozän-Bernstein aus Nigeria. (FAME: Fettsäuremethylester/FA: Fettsäuren; Beschreibung für Beschriftung im Text).
(Bilder: Universität Mainz/Gerstel)

Oluwadayo O. Sonibare und Thorsten Hoffmann vom Institut für anorganische und analytische Chemie sowie Stephen F. Foley von der Abteilung für Geowissenschaften und Erdsystemforschung der Johannes-Gutenberg-Universität in Mainz sind auf der Suche nach einer Lösung, wie sich die Herkunft und die Echtheit von Bernstein exakt bestimmen lässt. Die Empfehlungen des Deutschen Bernsteinmuseums, durch Dichtevergleich im Salzbad, infrage kommende Materialien zu unterscheiden [1], mögen in diesem Zusammenhang für den Hausgebrauch taugen, nicht aber für eine wissenschaftlich fundierte Untersuchung. Darum aber geht es den Forschern. Ihr Ziel ist es, die „molekulare Zusammensetzung und chemotaxonomische Aspekte von Eozän-Bernstein aus der Ameki Formation in Nigeria“ aufzuklären [2]. Unterstützt werden sie dabei von Dr. Eike Kleine-Benne, F&E-Projektleiter bei der Firma Gerstel aus Mülheim an der Ruhr.

Allen Bernsteinen gleich ist die Tatsache, dass es sich bei ihnen um dasselbe organische Material handelt, das einstmals als Harz aus einem Spenderbaum ausgeblutet und ausgehärtet ist. Chemisch betrachtet, ist Bernstein ein uneinheitliches Stoffgemisch, das sich als Polyester bezeichnen und zu der Gruppe der Terpene zählen lässt.

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Der Begriff Bernstein geht zurück auf die niederdeutsche Bezeichnung „bernen“, was so viel wie „brennen“ bedeutet. In der Tat ist Bernstein entzündlich und verbrennt mit stark aromatischem Geruch. Bernstein löst sich nur begrenzt in Alkohol, Ether, Chloroform oder Terpentinöl. In gemahlener Form lädt es sich negativ auf und schmilzt bei 375 °C. Aufgrund der chemischen und physikalischen Eigenschaften erweist es sich als zielführend, Bernstein zunächst einer Pyrolyse mit anschließender Gaschromatographie der Pyrolysefragmente und deren massenselektiver Detektion zu unterziehen, um Erkenntnisse über seine Zusammensetzung und damit seine Art und Herkunft zu erhalten.

Chemisch-analytische Details

Die Fossilisation von Pflanzenharz, wie es bei Bernstein der Fall ist, sei laut Dr. Oluwadayo O. Sonibare ein komplexer Reifungsprozess, der den Verlust flüchtiger Bestandteile sowie die Polymerisation und Vernetzung von Terpenoiden beinhaltet und sich über die Dauer von bis zu 100 Mio. Jahren hinziehe.

Bei Bernstein handle es sich um eine komplexe Mischung verschiedener Terpenoide (Mono-, Sesqui-, Di- und Triterpenoiden), Naturstoffen, die sich strukturell vom von Pflanzen emittierten Isopren ableiten. Im Unterschied zu Terpenen enthalten Terpenoide funktionelle Gruppen. Das Wissen um die chemische Zusammensetzung eines Bernsteins sei nützlich, erklärt der Wissenschaftler, um einen natürlichen, sprich: echten Bernstein von Imitaten zu unterscheiden und auch seine Herkunft bestimmen oder weiterführende Studien betreiben zu können.

Wichtige Analysemethoden für die Charakterisierung von Bernstein bilden die Infrarotspektroskopie (IR), die Ramanspektroskopie sowie die Gaschromatographie mit massenselektiver Detektion (GC/MS) von Bernsteinextrakten bzw. die Pyrolyse des Bernsteins selber mit anschließender GC/MS-Bestimmung. Die Infrarotspektroskopie (IR) werde eingesetzt, berichtet Dr. Eike Kleine-Benne, etwa um Ostseebernstein von anderen Bernsteinfunden zu unterscheiden. Wesentliches Unterscheidungsmerkmal bilde hierbei die so genannte Baltische Schulter bei 1250 bis 1175 cm-1; sie werde mit Bernsteinsäure assoziiert, die in Ostseebernstein auftritt, berichtet Dr. Kleine-Benne.

Die IR-Methode stoße im Hinblick auf die Unterscheidung nach Art und Herkunft rasch an ihre Grenzen, da die meisten Bernsteinarten ähnliche Muster aufzeigten, was die Identifikation von Individualmerkmalen erschwere. Ramanspektren wiederum seien nützlich für die Erfassung von Unterschieden im Reifeprozess von Bernstein, nicht aber, um dessen geographische Herkunft zu bestimmen. Die GC/MS wiederum ermögliche nur eine molekular-strukturelle Aufklärung löslicher Bestandteile, die allerdings kaum mehr als 20% des gesamten Harzes ausmachten.

Anders die Pyrolyse-GC/MS, die, wie Dr. Kleine-Benne erklärt, dem Nutzer die Möglichkeit biete, die polymeren Bestandteile, sprich: die nichtlöslichen und nichtflüchtigen Makromoleküle des Bernsteins in individuelle Komponenten aufzuspalten, aufzutrennen und gezielt ihrer Molekularstruktur nach eindeutig im Massenspektrum zu identifizieren.

Methode zur Bernsteinanalytik: Pyrolyse-GC/MS

Für die Untersuchung wurden Eozän-Bernsteinproben aus der Ameki-Formation in Nigeria verwendet, die vom Hunterian Museum der Universität Glasgow zur Verfügung gestellt wurden. Das Probenmaterial wurde zermahlen und in Portionen von je 200 μg für die Dauer von 20 s bei 480 °C pyrolysiert. Für die Pyrolyse-GC/MS verwendet wurde folgende Gerätekombination: Agilent GC 6890N mit Gerstel-Kalt-Aufgabe-System (KAS), Gerstel-Thermal-Desorption-Unit (TDU), Gerstel-Multi-Purpose-Sampler (MPS) und Agilent MS 5795B Inert XL (Triple Axis). Die Pyrolyse an sich erfolgte unter Einsatz des Gerstel-Pyro, eines speziellen Pyrolyse-Moduls, um das sich die Gerstel-TDU ohne größere Umbauten erweitern lässt.

Weitere technisch relevante Details: Die TDU wurde im Split-Modus betrieben, um überschüssiges Lösemittel zu entfernen. Das Kalt-Aufgabe-System wurde auf eine Temperatur von 300 °C eingestellt und als Heißsplit-Interface verwendet. Der GC wurde im Split-Modus (1:20) betrieben und war mit einer ZB-5MS Quarzglas-Säule (30 m x 0,25 μm x 0,25 mm, Phenomenex) ausgestattet. Das Temperaturprogramm des GC-Ofens gestaltete sich wie folgt: 60 °C (2 min) – 6 °C/min – 300 °C (10 min). Helium wurde als Trägergas mit konstantem Fluss vom 1 mL/min verwendet. Das Massenspektrometer wurde im Electron Impact (EI)-Ionisierungsmodus betrieben, wobei die Ionisierungsenergie auf 70 eV eingestellt wurde und die Quell- und Quadrupoltemperaturen auf 230 °C bzw. 150 °C gesetzt wurden. Vollscan-Massenspektren wurden über einen Massenbereich von 50 bis 650 Da aufgezeichnet. Die Chemstation-Software wurde zur Akquisition und Bearbeitung der Daten verwendet. Einzelne Verbindungen wurden durch Vergleich der Massenspektren mit MS-Bibliotheksdaten und Informationen aus der Literatur identifiziert.

Der Weg zum Erkenntnisgewinn

Zunächst erfolgte die reine Pyrolyse des gemahlenen Bernsteins. Im Chromatogramm ließen sich eine Reihe von in der Literatur beschriebenen Komponenten identifizieren, hier eine Reihe von Fett-säuren (FA), namentlich Norchrysanthemumsäure (FA I), Naphthalin-1-Carboxylsäure-1,2,3,4,4a,7,8,8a-octahydro-1,4a,-6-trimethyl (FA II), Naphthalin-1-Carboxylsäure-1,2,3,4,4a,7,8,8a-Octahydro-1,4a,5,6-Tetramethyl (FA III) und Naphthalin-1-Carboxylsäure-1,2,3,4,4a,-5,8,8a-Octahydro-1,4a,6-Trimethyl-5-Methylen (FA V).

Um eine größere Informationstiefe zu erreichen, wurden die Bernsteinproben im Anschluss an die Pyrolyse-GC/MS unter Einsatz von Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH) in situ, sprich: während des 20 s dauernden Pyrolyseschritts derivatisiert (methyliert); dieser Prozess wird auch als Thermochemolyse bezeichnet. Hierbei wurden die Fettsäuren in ihre korrespondierenden Fettsäuremethylester (FAMES) umgewandelt: Norchrysanthemumsäuremethylester (FAME I), Naphthalin-1-Carboxylsäure-1,2,3,4,4a,7,8,8a-Octahydro-1,4a,6-Trimethylmethylester (FAME II), Naphthalin-1-Carboxylsäure-1,2,3,4,4a,7,8,8a-Octahydro-1,4a,5,6-Tetramethyl-Methylester (FAME III), Methyl-1,2,3,4-Tetrahydro-1,5,6-Trimethyl-1-Naphthalincarboxylat (FAME IV), Naphthalin-1-Carboxylsäure-1,2,3,4,4a,5,8,-8a-Octahydro-1,4a,6-Trimethyl-5-Methylenmethylester (FAME V) und Methyl-16,17-Dinorcallitrisat (FAME VI).

Den Unterschied zwischen der reinen Pyrolyse und dem Schritt der Thermochemolyse erklärt Dr. Eike Kleine-Benne wie folgt: „Im Pyrolyse-Chromatogramm sind die Peaks von FA (I), FA (II), FA (III) und FA (V) breit, sie zeigen teilweise ein Sägezahnform, einem typischen Phänomen für polare Verbindungen wie Fettsäuren, die auf einer nicht-polaren Säule getrennt werden.

Im Gegensatz dazu eluieren die korrespondierenden methylierten Verbindungen FAME (I), FAME (II), FAME (III) und FAME (V) im Thermochemolyse-Chromatogramm als gut aufgelöste scharfe Peaks. FAME (IV) und FAME (VI) konnten nur im Thermochemolyse-Chromatogramm identifiziert werden. Es ist deutlich erkennbar, dass Pyrolyse mit TMAH detailliertere Informationen zur Probe erzielt.“

Wie Dr. Oluwadayo O. Sonibare berichtet, zeigte eine vorhergehende Studie die ersten verfügbaren Informationen zur molekularen Zusammensetzung von fossilen Harzen der Eozän-Ameki-Formation in Nigeria. Pyrolyse-GC-MS-Analysen wiesen deutlich darauf hin, dass der Bernstein zum Typ Klasse Ib gehört, der von regulären Labdatrien-Strukturen abgeleitet ist, denen es an Bernsteinsäure mangelt. Die Pyrolyseprodukte des Bernsteins wurden dominiert von Labdan-artigen Diterpenoiden und einigen Sesquiterpenoiden. Die ausschließliche Präsenz von labdanen Diterpenoiden und der Abwesenheit von Pflanzen-Triterpenoiden im Bernstein deutet auf eine Herkunft dieses Harzes in einem Nadelgewächs (Gymnosperme) hin.

Womit Dr. Oluwadayo O. Sonibare, Prof. Thorsten Hoffmann und Prof. Stephen F. Foley von der Johannes-Gutenberg-Universität in Mainz ein Werkzeug an die Hand bekamen, das ihnen hilft, Bernstein seinem Ursprung zuzuordnen und darüber hinaus weitreichende Informationen für ihre Bernsteinforschung liefert.

Literatur

[1] www.deutsches-bernsteinmuseum.de

[2] O. O. Sonibare T. Hoffmann, S. F. Foley: Molecular composition and chemotaxonomic aspects of Eocene amber from the Ameki Formation, Nigeria, Organic Geochemistry 51 (2012) 55–62

[3] www.planet-wissen.d e/natur_technik/schmuck/faszination_bernstein

* G. DEUßING: Redaktionsbüro Deußing, 41464 Neuss

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