Gaschromatographie-Massenspektrometrie

Die Gaschromatographie-Massenspektrometrie, kurz GC-MS, ist ein Kopplungsverfahren, das ein Stoffgemisch zunächst in der Gasphase auftrennt und die getrennten Bestandteile anschließend über ihre Masse identifiziert. Sie gehört damit zu den strukturidentifizierenden Verfahren und ist für Bestätigungsanalysen geeignet, während ein Immunoassay nur einen Hinweis liefern kann. In der Abstinenzdiagnostik wird GC-MS bis heute eingesetzt, hat aber gegenüber der Flüssigchromatographie einen charakteristischen Zusatzaufwand.

Zwei Verfahren in einem Gerät

Der erste Teil ist die Trennung. Die aufgearbeitete Probe wird verdampft und von einem Trägergas durch eine lange, innen beschichtete Kapillare geschoben, die in einem programmierbar geheizten Ofen liegt. Jede Substanz haftet je nach Flüchtigkeit und chemischem Charakter unterschiedlich stark an der Beschichtung und verlässt die Trennstrecke deshalb zu einer eigenen, reproduzierbaren Zeit. Diese Zeit heißt Retentionszeit.

Der zweite Teil ist die Detektion. Am Ende der Trennstrecke wird jede austretende Substanz ionisiert, also elektrisch geladen, und dabei in charakteristische Bruchstücke zerlegt. Das Massenspektrometer sortiert diese Bruchstücke nach Masse und zählt sie. Das Ergebnis ist ein Massenspektrum, das für die jeweilige Verbindung typisch ist. Aus der Zahl der gemessenen Ionen lässt sich zusätzlich die Konzentration berechnen.

Retentionszeit und Massenspektrum: der doppelte Nachweis

Die Aussagekraft entsteht aus der Verbindung beider Informationen. Eine passende Retentionszeit allein würde nicht genügen, weil mehrere Substanzen zufällig zur gleichen Zeit erscheinen können. Ein passendes Massenspektrum allein würde ebenfalls nicht genügen, weil chemisch verwandte Verbindungen ähnlich zerfallen. Stimmen beide Merkmale mit denen einer Referenzsubstanz überein, ist die Zuordnung belastbar.

Genau das ist der Grund, warum solche Verfahren zur Bestätigungsanalyse taugen und ein Immunoassay nicht: Der Immunoassay erkennt eine Stoffklasse an einer Bindungsreaktion, GC-MS erkennt die einzelne Verbindung an zwei unabhängigen Merkmalen.

Derivatisierung: der Schritt, den LC-MS/MS nicht braucht

Hier liegt der praktisch entscheidende Unterschied. Die Gaschromatographie setzt voraus, dass sich der Analyt unzersetzt verdampfen lässt. Nichtflüchtige und polare Verbindungen erfüllen diese Bedingung nicht – sie kleben in der Trennstrecke, zerfallen bei der nötigen Temperatur oder erscheinen als breiter, unbrauchbarer Signalberg.

Betroffen sind ausgerechnet die Substanzen, auf die es in der Abstinenzdiagnostik oft ankommt: THC-Carbonsäure als saurer Cannabis-Metabolit und die Glucuronide, zu denen auch Ethylglucuronid gehört. Für diese Analyten ist eine Derivatisierung erforderlich: ein zusätzlicher chemischer Umsetzungsschritt, in dem die störenden funktionellen Gruppen gezielt in flüchtigere umgewandelt werden.

Dieser Schritt kostet Zeit, verbraucht Reagenzien und ist eine eigene Fehlerquelle, weil die Umsetzung vollständig und reproduzierbar ablaufen muss. Die LC-MS/MS braucht ihn nicht, weil sie in flüssiger Phase arbeitet und polare Verbindungen direkt verträgt. Das ist der Hauptgrund, warum sich die Flüssigchromatographie in der Haaranalytik weitgehend durchgesetzt hat.

Was GC-MS im Haar leisten kann

Trotzdem wäre es falsch, GC-Verfahren als überholt zu betrachten. In einer speziellen Ausführung – Gaschromatographie mit negativer chemischer Ionisierung und Tandem-Massenspektrometrie, kurz GC-NCI-MS/MS – wurden für THC-Carbonsäure im Haar sehr niedrige Verfahrensgrenzen erreicht:

Kenngröße	Wert	Bedeutung
Nachweisgrenze (LOD)	0,02 pg/mg	Ab hier gilt der Stoff als sicher erkannt
Bestimmungsgrenze (LOQ)	0,05 pg/mg	Ab hier ist eine Zahl zuverlässig angebbar
Geforderte Mindest-LOQ	0,2 pg/mg	Vorgabe für THC-Carbonsäure im Haar

Das Verfahren liegt also deutlich unterhalb der geforderten Grenze. Zum Vergleich: Für LC-MS/MS-Verfahren sind teils erst Nachweisgrenzen um 1 pg/mg berichtet worden. Bei diesem einen, besonders anspruchsvollen Analyten kann die GC-Technik der Flüssigchromatographie damit überlegen sein – ein gutes Beispiel dafür, dass es keine pauschal bessere Methode gibt, sondern nur eine für die jeweilige Frage geeignetere.

Was die GTFCh für Haarproben verlangt

Die Anforderung ist methodenoffen, aber klar: Für Haarproben kommt nur eine GC- oder eine HPLC-Methode in Verbindung mit einem massenspezifischen Detektor beziehungsweise einem Tandem-MS-System in Betracht. Vorgeschrieben ist damit nicht ein bestimmtes Gerät, sondern eine Leistungsklasse: Trennung plus massenspektrometrische Identifizierung.

Was ausgeschlossen ist, ergibt sich daraus von selbst. Ein Immunoassay allein genügt für einen Haarbefund nicht, und ein Screeningergebnis kann auch nicht durch ein zweites immunchemisches Verfahren bestätigt werden. Näheres zur Rolle der Vorprüfung unter Screening, zur Flüssigphasen-Alternative unter Hochleistungsflüssigkeitschromatographie.

Isotopenverdünnung: der markierte Zwilling

Damit aus Ionenzählungen belastbare Konzentrationen werden, wird der Probe vor der Aufarbeitung ein interner Standard zugesetzt: dieselbe Verbindung, aber mit schwereren Atomkernen markiert. Sie verhält sich chemisch identisch und durchläuft jeden Schritt mit, ist aber im Massenspektrometer anhand ihrer höheren Masse unterscheidbar. Verluste bei Extraktion oder Derivatisierung treffen Analyt und Standard gleichermaßen und kürzen sich im Verhältnis heraus. Dieses Prinzip der Isotopenverdünnung ist der Grund, warum quantitative Angaben im Pikogrammbereich überhaupt reproduzierbar sind.

Häufige Fragen

Ist GC-MS schlechter als LC-MS/MS?

Nein, die Verfahren haben unterschiedliche Stärken. LC-MS/MS ist für polare Analyten unkomplizierter, weil keine Derivatisierung nötig ist; GC-Verfahren können bei einzelnen Analyten wie THC-Carbonsäure im Haar besonders niedrige Grenzen erreichen. Entscheidend ist, dass das eingesetzte Verfahren validiert und akkreditiert ist.

Was bedeutet Derivatisierung für meinen Befund?

Für das Ergebnis nichts, für die Bearbeitung schon: Es ist ein zusätzlicher Laborschritt, der validiert sein und sauber dokumentiert werden muss. Sichtbar wird er im Befund allenfalls in der Methodenangabe.

Kann GC-MS als einziges Verfahren einen Abstinenzbeleg tragen?

Ein massenspektrometrisches Verfahren ist die verlangte identifizierende Methode und kann diese Rolle erfüllen. Ein Beleg entsteht daraus aber nur zusammen mit gesicherter Probenahme, Kette des Verbleibs und einer Akkreditierung, die die konkrete Untersuchung abdeckt.

Woran erkenne ich im Befund, welches Verfahren verwendet wurde?

In der Methodenangabe, die zu jedem quantitativen Ergebnis gehört. Dort erscheinen Kürzel wie GC-MS, GC-MS/MS oder LC-MS/MS, häufig zusammen mit der Bestimmungsgrenze des Verfahrens für den jeweiligen Analyten.