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Ein Bild sagt mehr als tausend Worte

Bildgebende Methoden sind in der Lage, auch komplexe Information rasch und leichtverständlich darzustellen. Daher sind sie auch auf dem Gebiet der Analytischen Chemie von steigender Bedeutung.

Das Bild als Informationsträger

Das Auge ist vermutlich das wichtigste Sinnesorgan des Menschen. Daher überrascht es nicht, dass wir optische Informationen als besonders aussagekräftig empfinden und in der Lage sind, Bilder rasch zu verstehen und auszuwerten. In einer Zeit, die von steigendem Informationsfluss in allen Bereichen unseres Lebens gekennzeichnet ist, können wir bildliche Darstellungen schneller und tiefgehender interpretieren als Informationen, die uns über unsere anderen Sinnesorgane vermittelt werden. Daher werden beispielsweise komplexe medizinische Informationen gern in Form von Röntgenbildern dargestellt, die uns eine rasche Interpretation ermöglichen. Werden mehrdimensionale Daten aufgenommen, beispielsweise in Form von Computertomographien unter Verwendung von Röntgenstrahlung oder auch in Form von Kernspintomographien, so ist die Reduktion auf ein zweidimensionales Schnittbild für uns besonders leicht verständlich. In der Biologie ist die Mikroskopie aus denselben Gründen sehr beliebt, und auch auf dem Gebiet der Analytischen Chemie setzen sich bildgebende Analysenverfahren immer stärker durch.

Warum bildgebende chemische Analytik?

Chemische Analysenverfahren weisen oftmals einen besonders hohen Informationsgehalt auf: Bei massenspektrometrischen Methoden werden beispielsweise die Massen von Element- oder Molekülionen bestimmt, und es kann eine Vielzahl von Substanzen quasi zeitgleich identifiziert und quantifiziert werden. Für bildgebende massenspektrometrische Untersuchungen werden flache Proben benötigt. Diese werden aus biologischen Objekten wie einem Pflanzenstängel, einer Rattenniere oder einem Stück aus einem menschlichen Tumor mit einem sogenannten Mikrotom, einem präzisen Schneidewerkzeug, in Form eines Dünnschnitts erstellt. Dessen Dicke beträgt etwa 10 µm, also etwa ein Fünftel des Durchmessers eines menschlichen Haares, und die Dünnschnitte werden auf einem mikroskopischen Objektträger fixiert und anschließend in das Massenspektrometer eingebracht.

Bildgebende Element-Massenspektrometrie

Nutzt man die Massenspektrometrie bildgebend zur Elementanalytik, so wird die Probe auf dem Objektträger linienweise durch Beschuss mit einem Laserstrahl von der Oberfläche abgelöst („ablatiert“), wobei ein feines Aerosol entsteht, das durch einen Helium-Gasstrom in das Massenspektrometer (MS) transportiert wird. Die Ionisation erfolgt durch ein induktiv gekoppeltes Plasma (ICP), das mit Argon bei Temperaturen von 6000 bis 10 000 °C betrieben wird, und alle Moleküle zunächst in Atome und anschließend in die Elementkationen überführt. Der Aufbau des Laserablations(LA)-ICP-MS-Systems ist in Abbildung 1 dargestellt.

Abbildung 1: Schematischer Aufbau eines LA-ICP-MS-Systems (© Patrick Bücker)

Mit dem Massenspektrometer werden die zeitabhängigen Elementsignale zumeist mit einem Quadrupol-Massenanalysator aufgezeichnet und durch die Software den jeweiligen Punkten auf der Probe zugeordnet. Hiermit entstehen zweidimensionale Bilder der Elementverteilung, bei denen die jeweilige Signalintensität farblich als sogenannte „Heatmap“ kodiert wird. Ein Beispiel hierfür findet sich in Abbildung 2.

Abbildung 2: Darstellung der Verteilung der Elemente Eisen und Kupfer in einer Rattennieren-Probe (© Patrick Bücker)

Anwendungen der Element-Massenspektrometrie

Die ortsaufgelöste Element-Massenspektrometrie wird bereits seit längerer Zeit im Bereich der Materialforschung und der Geowissenschaften eingesetzt, wo beispielsweise Gesteine, Halbleitermaterialien, Gläser oder Batterieelektroden auf ihre Elementzusammensetzung untersucht werden können. In den letzten Jahren findet das Verfahren in steigendem Umfang Verwendung für die bildgebende Analytik biologischer Proben, und wird dabei auch oftmals als „Element-Bioimaging“ bezeichnet. Hiermit kann beispielsweise die Verteilung von platinbasierten Medikamenten für die Tumortherapie im Tumor bestimmt werden, aber auch die Verteilung von Kupfer in einer Nierenbiopsie eines unter Morbus Wilson leidenden Patienten oder die Verteilung von Pflanzennährstoffen in Blättern.

Die Autoren:

Patrick Bücker
Westfälische Wilhelms-Universität Münster, Institut für Anorganische und Analytische Chemie, uk@uni-muenster.de

Prof. Dr. Uwe Karst
Westfälische Wilhelms-Universität Münster, Institut für Anorganische und Analytische Chemie, uk@uni-muenster.de

Dieser Artikel erschien zuerst auf faszinationchemie.de.

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