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Meilenstein Spektroskopie Egal bei welcher Wellenlänge: Die große Welt der Spektroskopie

Autor / Redakteur: Dr. Ilka Ottleben, Marc Platthaus / Dr. Ilka Ottleben

Die Spektroskopie ist eine verbreitete Analysemethode. Am Beispiel der Massenspektrometrie zeigen wir aktuelle Trends und was sich auf diesem Gebiet in den vergangenen Jahrzehnten getan hat.

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Abb.1: FTIR-Spektrometer können u.a. in der Wareneingangskontrolle eingesetzt werden.
Abb.1: FTIR-Spektrometer können u.a. in der Wareneingangskontrolle eingesetzt werden.
(Bild: Thermo Fisher Scientific)

Kaum ein Chemiestudent oder Auszubildender, der nicht direkt in den ersten Tagen seiner Berufsausbildung mit der Spektroskopie in Kontakt gekommen ist. Wenn Natrium eine Bunsenbrennerflamme gelb aufleuchten lässt, zeigt dies die Umwandlung von Wärmeenergie zu Strahlungsenergie (Bilder zur Flammenfärbung von Metallsalzen). Solche Energieänderungen finden auch in jedem Spektrometer statt, egal ob im Radiowellen- (NMR-Spektroskopie) oder im Röntgenstrahlungsbereich (Röntgenspektroskopie). Wichtige Methoden, die sich in den vergangenen Jahrzehnten im Labor etabliert haben, sind u.a. die UV-Vis-Spektroskopie, die IR-Spektroskopie, die Atomabsorptions- und Atomemissionsspektrometrie, die Ramanspektroskopie oder auch die Massenspektrometrie. Gerade die Massenspektrometrie entwickelt sich in vielen Bereichen wie der Pharma- oder der Umweltanalytik zur Detektionsmethode der Wahl.

Simon Nunn, Director Product Management bei Thermo Fisher Scientific: „Die Spektroskopie wird immer mehr in den Alltag Einzug halten. Anwendungen mit handelsüblichen Smartphones zur Lebensmittelkontrolle sind die ersten Anzeichen hierfür.“
Simon Nunn, Director Product Management bei Thermo Fisher Scientific: „Die Spektroskopie wird immer mehr in den Alltag Einzug halten. Anwendungen mit handelsüblichen Smartphones zur Lebensmittelkontrolle sind die ersten Anzeichen hierfür.“
(Bild: Melanie Loyd/Thermo Fisher Scientific)

Die aktuelle Forschung zu alternativen Energieerzeugungs- und -speicherungsmethoden ist für Simon Nunn, Manager Business Development, Vibrational Spectroscopy bei Thermo Fisher, ein Beispiel für die Wichtigkeit der Spektroskopie. „Die Lösung der globalen Erwärmung und der Übergang von fossilen Brennstoffen zu erneuerbaren Quellen erfordern neue Materialien, Transportmittel und Produktionsprozesse. All dies treibt die Nachfrage nach Spektroskopie; von der Materialentdeckung bis zur Produktion.“ So können beispielsweise neue Materialien mit Raman-Imaging-Systemen wie dem DXR 2xi untersucht oder Rohstoffe für erneuerbare Kraftstoffe in der Wareneingangskontrolle mit FTIR-Spektrometern wie dem NocoIet iS 50 kontrolliert werden (Unterschied zwischen Spektroskopie und Spektrometrie: s. Ergänzendes zum Thema).

Trends der Spektroskopie – Entwicklung in zwei Richtungen

Generell hat sich die Spektroskopie für Nunn in die zwei Richtungen „Forschung“ und „Routine“ entwickelt: „Forschungsinstrumente werden sich im Einklang mit den Bedürfnissen der Wissenschaftler und der von ihnen untersuchten Materialien entwickeln. In der Materialwissenschaft wird die Notwendigkeit, kleinere, kompliziertere Strukturen zu verstehen, zu einer verstärkten Kopplung von Spektroskopie mit Mikroskopie führen.

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Definitionsfrage: Spektroskopie oder Spektrometrie?

Was ist der Unterschied zwischen Spektroskopie und Spektrometrie? Spektroskopie bezeichnet Methoden, die über die Auswertung von Strahlung einzelne Substanzen qualitativ nachweisen können. Atome haben zum Beispiel charakteristische Absorptionsspektren, die in der Atomabsorptionsspektroskopie analysiert werden.

Die Spektrometrie ist eine Erweiterung spektroskopischer Messungen, die zusätzlich eine quantitative Aussage über die identifizierten Stoffe erlaubt. Dazu müssen die Spektrometer zuvor mithilfe von Standards bekannter Konzentrationen auf die jeweiligen Analyten kalibriert werden.

In den Biowissenschaften wird die Notwendigkeit, Krankheiten in frühen Stadien zu diagnostizieren und zu verstehen, die Entwicklung schneller bildgebender Systeme, spektroskopischer medizinischer Geräte und verbesserter Chemometrie vorantreiben. Dagegen werden Routine-Instrumente kleiner, robuster und weniger teuer.“ Zusätzlich ist derzeit noch ein Trend nach mobiler Analytik zu beobachten. Tragbare Spektrometer wie das FT-IR-Handspektrometer Tru-Defender oder das Massenspektrometer Mini-Ruedi wurden entwickelt, um unbekannte Chemikalien direkt vor Ort zu analysieren – in Militär, Katastrophenschutz, Feuerwehren, Industrie und Umweltschutz.

Am Beispiel der Massenspektrometrie sollen nun einige Entwicklungen vorgestellt werden, die durchaus auch als exemplarisch für andere Bereiche der Spektroskopie stehen können.

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Langer Weg zu den ersten kommerziellen Massenspektrometern

„Es sollte doch einen einfacheren Weg geben, sein Auskommen zu haben“, stöhnte einst ein Entwickler des US-Massenspektrometrie-Pioniers Consolidated Engineering Corporation, CEC. Auf Basis der Arbeiten von Thomson, Aston, Bainbridge, Dempster, Nier & Co., die man wohl als „Gründerväter“ der Massenspektrometrie bezeichnen kann, hatten in den USA und Großbritannien etablierte Unternehmen wie CEC oder MetroVick der Technologie in den 1940er Jahren zwar zur Kommerzialisierung verholfen. Vorsichtig ausgedrückt, genossen Massenspektrometer zu jener Zeit dennoch den Ruf, dass sie einer sehr umsichtigen und geschickten Handhabung bedürfen. Ein Massenspektrometer füllte zu jener Zeit eher einen ganzen Raum als eine Laborbank, und sei doch die „Maschine, die nahezu nie richtig funktioniert.“ Dieser Ausspruch eines frühen Anwenders in den USA war lange Zeit geflügeltes Wort der Branche.

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Das Prinzip Massenspektrometrie

Die Massenspektrometrie misst die Masse von Teilchen. Diese werden dazu in die Gasphase überführt (Desorption), Dafür ist ein Hochvakuum erforderlich. Ein Massenspektrometer wird charakterisiert durch Kernkennzahlen wie die Massenauflösung, die Massengenauigkeit, der Massenbereich, der lineare dynamische Bereich und die Scan-Geschwindigkeit. Es besteht grundsätzlich aus einer Ionenquelle, einem Analysator und einem Detektor. Jedes dieser Bauteile existiert in verschiedenen Bauformen und Funktionsprinzipien. In der Ionenquelle wird der Analyt ionisiert. Häufig kommen z.B. Stoßionisation, vor allem Elektronenstoßionisation (EI) oder Matrix-unterstützte Laser-Desorption/Ionisation (MALDI) und Elektrospray-Ionisation (ESI) vor. Im Analysator werden die Ionen nach ihrem Masse-zu-Ladung-Verhältnis m/z getrennt. Der Detektor dient zur Erfassung der zuvor separierten Ionen. Massenspektrometer werden durch den jeweilig eingesetzten Analysator typisiert. in Sektorfeld-Massenspektrometer, Quadrupol-Massenspektrometer, Flugzeitmassenspektrometer (TOF) und Ionenfallen-Massenspektrometer. Zu den Ionenfallen zählen Linear, 3D, FT-ICR und Orbitrap.

Es gehörte also ein gehöriger Schuss Optimismus dazu, Massenspektrometer für den kommerziellen Gebrauch auch in Deutschland bauen zu wollen. Der junge Physiker Dr. Ludolf Jenckel hatte sich genau dies in den Kopf gesetzt. Der gebürtige Bremer, beschäftigt bei den Bremer Atlas-Werken, trug seine Idee 1947 seinen Vorgesetzten vor – und wurde abgewiesen. Zu exotisch, zu ungewiss, zu groß der Technologie-Rückstand gegenüber den USA und Großbritannien und überhaupt, zu weit entfernt vom Kerngeschäft des Unternehmens sei dieses Projekt. Er insistierte und erhielt schließlich die Erlaubnis, sich halbtags und auf eigenes Risiko seiner Vision zu widmen. Auch dieser Hartnäckigkeit Jenckels ist es wohl zu verdanken, dass Bremen heute eines der führenden Zentren für Massenspektrometrie in Europa ist. Ein Jahr später wurde eine kleine Division, Atlas MAT (Mess- und Analysen-Technik) gegründet und mit dem 60° Sektorfeld MS I der erste Prototyp vorgestellt. 1967 wurde MAT von Varian Associates (Palo Alto, USA) übernommen und durch dessen weltweite Marketing-Aktivitäten zu einem führenden Hersteller von Massenspektrometern. 1981 folgte die Übernahme durch den damals führenden GC/MS-Hersteller Finnigan, San Jose, USA.

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1990 wurde wiederum Finnigan von Thermo Electron Corp. übernommen, woraus im Jahr 2006 schließlich Thermo Fisher Scientific wurde. Die Verbreiterung des Produktportfolios schritt immer weiter voran. Die damals neue MALDI-Technologie öffnete als schonende Ionisierungsmethode neue Horizonte für biochemische Applikationen und erlaubte erstmals die Analyse von Verbindungen mit sehr hohen Molekulargewichten, bis hinauf zu 1 Millionen Dalton. Damit war nun die Mehrheit der chemischen Verbindungen durch massenspektrometrische Verfahren zugänglich.

Speziell für die biochemische Forschung führte das Unternehmen mit Vision 2000 im Jahr 1991 ein Time-of-Flight (TOF)- System in den Markt ein. Eine andere aufstrebende Technologie insbesondere für die Spurenanalytik von Elementen war die ICP-MS. Mit dem 1993 vorgestellten hochauflösenden Massenspektrometer Element bediente das Unternehmen fortan auch diesen Markt.

1995 prägte der Australier Marc Wilkins den Begriff Proteom als das „gesamte Proteinäquivalent eines Genom“. Auf Seiten der Stoffwechselprodukte fand der entstehende Forschungszweig „Proteomics“ bald seine Entsprechung in den „Metabolomics“. Beide Ansätze liefern viel mehr Information als die „Genomics“ allein, denen alles entsprang. Bis heute ist der Trend, verschiedenste bioanalytische oder medizinische Fragestellungen in diesem Sinne „ganzheitlich“ zu betrachten, ungebrochen. Anwendungen reichen von der medizinischen und naturwissenschaftlichen Grundlagenforschung über die Diagnostik, bis hin zu Anwendungen in der Dopinganalytik oder der Lebensmittelkontrolle. Die Möglichkeit, sowohl qualitativ als auch quantitativ zu untersuchen sowie ihre hohe Auflösung, Massengenauigkeit, Selektivität und Sensitivität prädestinierten die Massenspektrometrie für diese neuen Anwendungsfelder. Am Bremer Standort von Thermo Electron machte man im Jahr 2003 mit der Einführung des LTQ-FT Fourier-Transform-Massenspektrometers den ersten Schritt in Richtung Life-Science-Massenspektrometrie.

Orbitrap: Meilenstein der Analysatortechnik

2005 folgte mit einem weiteren FT-MS-Detektor ein echter Meilenstein: die Orbitrap im LTQ-Orbitrap genannten System. Dieser neue Analysatortyp erreichte in punkto Auflösung und Massengenauigkeit revolutionäre Daten. Wie? Vereinfacht gesagt, indem er Frequenzen misst, mit denen Ionen in einem elektrostatischen Feld abhängig von ihrem Masse-zu-Ladungs-Verhältnis um eine zentrale, spindelförmige Elektrode wandern. „Frequenzen sind innerhalb der physikalischen Eigenschaften das präziseste, was man messen kann“, erläutert, Dr. Thomas Moehring, Senior Director Hardware Management, Life Science Mass Spectrometry, am Bremer Standort von Thermo Fisher Scientific. „Die Auflösung ist direkt proportional zu der Zeit, mit der wir die Ionen im Analysator wandern lassen können. Je länger sie wandern, desto mehr Datenpunkte, desto höher die Auflösung.“

In unserem LP-exklusiven Interview verrät Dr. Thomas Moehring u.a., ob es in Zukunft noch weitere disruptive Entwicklungen in der Massenspektrometrie geben könnte:

Die wissenschaftliche Community war beeindruckt – und forderte schnell mehr: Mehr Auflösung in kürzerer Zeit, also mehr Geschwindigkeit. Als erste Antwort darauf überarbeitete Thermo Fisher die Geometrie des Orbitrap-Analysators und führte dessen zweite Generation die so genannte High-Field-Orbitrap ein. Fortan wurden verschiedene, an die jeweiligen Anforderungen und Märkte angepasste Produktfamilien fortlaufend weiterentwickelt, die alle die Orbitrap als Analysator eint. Die Benchtop-Systeme der Q-Exactive-MS-Familie mit Q Exactive, Q Exactive Plus, Q Exactive HF und das Q-Exactive-HF-X-Hybrid-Quadrupol-Orbitrap-Massenspektrometer wurden zu Arbeitspferden für die Proteom-Analyse.

Den High-End-Research-Markt bedienen vor allem Systeme wie das Orbitrap Fusion Lumos aus der Tribrid-Produktgruppe und Q Exactive HF sowie HF-X. Sie decken im Bereich Proteomics jegliches Experiment zur Proteinanalytik ab, angefangen von Basis-Experimenten wie Peptid-ID und Protein-ID, über Datenbanksuchen in einem tryptischen Verdau, bis hin zu Quantifizierungen und Charakterisierungen von intakten Antikörpern, Fragmentierungen von Antikörpern oder Charakterisierungen von post-translationalen Modifikationen (PTMs).

Das neueste System aus der Benchtop-Q-Exactive-MS-Familie das Q-Exactive-HF-X-Hybrid-Quadrupole-Orbitrap-Massenspektrometer kombiniert einen modernen segmentierten Quadrupol für eine leistungsstarke Vorläufer-Ionenselektion mit der High-Field-Orbitrap. Seine niedrigen Nachweisgrenzen decken einen Bereich vom kleinen Molekül bis hin zum nativen Antikörper ab. Im Vergleich zu den Modellen Q Exactive und Q Exactive HF wurde die Analysenzeit in diesem System bei gleichzeitig hoher Robustheit und Reproduzierbarkeit nochmals um den Faktor 2 verkürzt, was höhere Durchsätze erlaubt.

Welche Weiterentwicklungen Quadrupol-Massenspektrometer in den vergangenen 30 Jahren durchlaufen haben, erfahren Sie hier:

Hardware & Software bedarfsgerecht entwickeln

Heute hat die Orbitrap-Technologie auch in unterschiedlichste angewandte Märkte wie die Lebensmittel- oder Umweltanalytik Einzug gehalten. Mit teils sehr unterschiedlichen Anforderungen – an die Hardware, aber auch an die Software. „Die Instrument-Control-Software hat sich in den letzten Jahren extrem entwickelt. Von „Research like“, wo Kunden alle Knöpfe, alle Linsen, alle Spannungen einstellen konnten zu mehr marktorientierten Methoden-Templates und einer Vereinfachung der Parameter, an denen noch gespielt werden muss. Anwenderfreundlichkeit und User-Experience sind hier wichtige Schlagworte. „2013 haben wir das erste Tribrid-Gerät eingeführt, mit erstmals einem Triple und einer Orbitrap auf einer Instrument-Control-Software-Plattform. Dies war der erste Schritt hin zu einer harmonisierten Plattform und das wird auch künftig die Strategie sein, die wir verfolgen. Je nach adressiertem Markt mit unterschiedlichen Gerätetypen, bestimmten vorgefertigten Methoden und einem bestimmten Maß an Flexibilität oder eben nicht-Flexibilität“, sagt Thomas Moehring.

Auch die Software für die Datenauswertung fällt hier natürlich ins Gewicht. Die Bandbreite bei Thermo Fisher Scientific reicht von eher forschungsorientierten Tools und Plattformen mit offener Architektur wie Proteom-Discoverer und Compound-Discoverer bis hin zu Plattformen mit vorgefertigten Templates und komplett automatisierter Datenauswertung. „Auch hier gilt es zu balancieren – je nach Markt und je nach Kundenanforderung“, sagt Moehring.

Insgesamt sieht auch Simon Nunn das Thema Software als ganz zentralen Punkt bei allen analytischen Methoden: „Ob es nun darum geht, ein unbekanntes Spektrum mit einer Datenbank zu vergleichen, ein ausgeklügeltes chemometrisches Modell zu verwenden oder ein chemisches 3D-Bild zu manipulieren – Software ist die Brücke zwischen Daten und Informationen.“ Mittlerweile sind aber nicht nur lokale Softwarelösungen gefragt. Immer mehr Anwender fordern laut Nunn cloudbasierte Lösungen, damit Daten leichter zugänglich sind. Die in diesem Jahr auf der Pittcon vorgestellte Lösung Omnic Anywhere ist beispielsweise eine Cloudlösung für FTIR-Daten.

Weiter Bewegung bei Kopplungstechnologien

Je nachdem aus welchem Blickwinkel betrachtet: Über, vor oder neben allem steht bei der Massenspektrometrie natürlich die Vorbereitung der häufig komplexen Proben aus mitunter komplizierten Matrices. Dazu zählt im weitesten Sinne auch die heute übliche Auftrennung der zu analysierenden Verbindungen z.B. über chromatographische Verfahren. Laut Moehring sind „neue Technologien der direkten Analyse beispielsweise über Paper-Spray-Technologien oder andere direkte Ionisierungsverfahren derzeit in der Findungsphase.“ Damit bleibt die Kopplung von GC oder HPLC als gängigste Kopplungstechnik der Massenspektrometrie wichtig. Auch bei Thermo Fisher Scientific. Auch auf diesem Gebiet herrscht daher nach wie vor Bewegung.

„Die Nano LC hat immer noch ein bisschen das Label des Instabilen. Ich denke in diesem Bereich werden wir in den nächsten Jahren noch einiges an Automatisierung und Standardisierung sehen, die zur Datenqualität beiträgt“, ist sich Moehring sicher. Aber auch in der Kapillarelektrophorese, die lange Zeit aufgrund der verwendeten Puffersysteme von einer MS-Kopplung quasi ausgeschlossen war, stecke derzeit „viel Potenzial insbesondere auch im Zusammenhang mit Biopharma als Markt.“ Zudem sei Imaging momentan ein hochspannendes Technologiethema: „Hier haben sich aus meiner Sicht auf der Quellen-Seite, also bei Maldi- oder Desi-, über die letzten Jahre technologisch Dinge getan, die dafür sorgen könnten, dass durch bildgebende massenspektrometrische Verfahren z.B. in Kombination mit einer anderen Technologie wie der Kryo-Elektronenmikroskopie nochmal ein Mehrwert für Kunden erzeugt wird.“

Auch Simon Nunn sieht Kopplungen als eines der Trendthemen für die kommenden Jahre: „Die Kopplung von Raman oder FTIR mit der Rheologie kann einen großen Informationsgewinn liefern, wie chemische oder morphologische Veränderungen die Fließeigenschaften von Stoffen beeinflussen. Und auch in der Mikroskopie wird es weitere Fortschritte in der Kopplung von schwingungsspektroskopischen Methoden mit optischen, elektronen- und sondenbasierten Mikroskopietechniken geben.“

Auf all diesen und vielen weiteren Gebieten hat sich Thermo Fisher Scientific in den vergangenen Jahrzehnten mit seinem breiten Portfolio an spektroskopischen Techniken als Treiber etabliert und in vielen Bereichen die Marktführerschaft erreicht.

Literatur:

[1] Curt Brunnee: 50 Years of MAT in Bremen; Rapid Communicatiions in Mass Spectrometry, Vol. 11, 694-707 (1997)

* Dr. I. Ottleben, M. Platthaus Redaktion LABORPRAXIS, E-Mail: redaktion@laborpraxis.de

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