Liquid Chromatography-Tandem Mass Spectrometry

Die Liquid Chromatography Tandem Mass Spectrometry (LC-MS/MS) verbindet eine flüssigchromatographische Trennung mit zwei hintereinander geschalteten Massenanalysatoren. Sie identifiziert und quantifiziert Substanzen bis in den Pikogrammbereich, ohne dass die Probe chemisch umgesetzt werden muss. Für die Haaranalytik und alle Niedrigkonzentrationsbestimmungen ist sie das Standardverfahren.

Der Weg der Probe durch das Gerät

Am Anfang steht der Extrakt aus der aufgearbeiteten Probe. Er wird in die Flüssigchromatographie injiziert, wo ihn ein Laufmittel unter hohem Druck durch eine Trennsäule trägt. Je nach Wechselwirkung mit dem Säulenmaterial verlassen die Bestandteile die Säule zu unterschiedlichen Zeiten. Diese Retentionszeit ist die erste Identifikationsinformation.

Anschließend wird der Flüssigkeitsstrom ionisiert, meist per Elektrospray: Die Moleküle gehen in die Gasphase über und tragen eine Ladung. Nun kommt der Teil, der das Verfahren zum Tandemverfahren macht. Der erste Massenanalysator wählt aus dem Ionengemisch gezielt ein Vorläuferion mit einer bestimmten Masse aus. In einer Kollisionszelle wird dieses Ion mit Gasmolekülen zur Kollision gebracht und zerfällt in charakteristische Fragmente. Der zweite Massenanalysator misst dann ein bestimmtes Fragment.

MRM-Übergänge: der Fingerabdruck einer Substanz

Das Paar aus Vorläuferion und Fragmention heißt Übergang, im Fachjargon MRM-Übergang (multiple reaction monitoring). Ein solcher Übergang ist für eine Substanz sehr charakteristisch; in der forensischen Praxis werden mehrere Übergänge pro Analyt gemessen und zusätzlich ihr Intensitätsverhältnis geprüft. Stimmen Retentionszeit, mehrere Übergänge und deren Verhältnis mit dem Referenzstandard überein, ist die Substanz identifiziert – und zwar mit einer Sicherheit, die kein immunchemischer Test erreicht.

Dieses Prinzip macht die LC-MS/MS zum bevorzugten Werkzeug der Bestätigungsanalyse. Der zweite Effekt der Tandemtechnik ist ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis: Weil nur ausgewählte Übergänge registriert werden, verschwindet ein Großteil des Matrixrauschens aus dem Messsignal. Genau daher stammt die Empfindlichkeit.

Warum die Haaranalytik ohne dieses Verfahren nicht funktioniert

Die Anforderungen der Haaranalytik liegen in Größenordnungen, die andere Verfahren nicht bedienen. Die folgende Übersicht zeigt, worum es konkret geht.

Man muss diese Zahlen zusammen lesen, um die Leistung zu erfassen: Aus wenigen Milligramm Haar sind Konzentrationen im Bereich von Zehntel-Pikogramm pro Milligramm zu quantifizieren. Ein Cut-off von 5 pg/mg für Ethylglucuronid ist nur dann eine sinnvolle Entscheidungsgrenze, wenn das Verfahren deutlich darunter zuverlässig arbeitet. Und die geforderte Bestimmungsgrenze von 0,2 pg/mg für THC-Carbonsäure liegt rund 250-fach unter dem THC-Cut-off von 50 pg/mg – eine Anforderung, die sich aus der sehr geringen Einlagerungsrate dieser sauren, kaum melaninaffinen Verbindung ergibt.

Der praktische Vorteil: keine Derivatisierung

Polare und schwerflüchtige Substanzen lassen sich gaschromatographisch nur analysieren, wenn man sie zuvor chemisch umsetzt. Diese Derivatisierung ist bei GC-MS für THC-Carbonsäure und für Glucuronide wie Ethylglucuronid erforderlich. Sie kostet Zeit, führt einen zusätzlichen Arbeitsschritt mit eigener Fehlerquelle ein und kann zu Substanzverlusten führen.

Die LC-MS/MS benötigt diesen Schritt nicht: Sie arbeitet mit der Substanz, wie sie ist. Das ist der Hauptgrund, warum sie sich in der Alkohol- und Drogenanalytik durchgesetzt hat. Zur Einordnung gehört aber auch das Gegenbeispiel: Für THC-Carbonsäure im Haar sind mit GC-NCI-MS/MS eine Nachweisgrenze von 0,02 und eine Bestimmungsgrenze von 0,05 pg/mg publiziert, während für ältere LC-MS/MS-Verfahren teils erst eine Nachweisgrenze von 1 pg/mg berichtet wird. Die Bauart entscheidet also nicht allein – entscheidend ist, welche Bestimmungsgrenze das konkrete, validierte Verfahren erreicht.

Grenzen: Matrixeffekte und was auch dieses Verfahren nicht leistet

Die größte Störquelle der LC-MS/MS ist der Matrixeffekt: Begleitstoffe aus der Probe können die Ionisierung unterdrücken oder verstärken und damit die gemessene Menge verfälschen. Dagegen wirkt die Isotopenverdünnung, weil der markierte innere Standard denselben Effekt erfährt wie der Analyt. Zusätzlich verlangt die Akkreditierungsnorm, dass jedes technische Verfahren vor Gebrauch validiert wird.

Und eine Grenze bleibt unabhängig von der Technik: Auch das empfindlichste Verfahren beantwortet nur die Frage, was in der Probe enthalten ist – nicht, wie es dort hineingelangt ist. Ob ein Cannabinoidbefund im Haar auf Konsum oder auf äußere Übertragung zurückgeht, entscheidet die sachverständige Interpretation unter Berücksichtigung von Befundmuster, Waschverfahren und Angaben zur Haarkosmetik. Auch der Streubereich von rund 30 Prozent, der als Messunsicherheit für die Haaranalytik harmonisiert ist, verschwindet mit besserer Technik nicht.

Häufige Fragen

Was ist der Unterschied zwischen LC-MS und LC-MS/MS?

Die LC-MS arbeitet mit einem Massenanalysator, die LC-MS/MS mit zwei hintereinander geschalteten. Erst die Tandemtechnik erlaubt gezielte Übergänge vom Vorläufer- zum Fragmention und damit die Empfindlichkeit und Sicherheit, die in der Haaranalytik gebraucht wird.

Ist LC-MS/MS immer besser als GC-MS?

Nicht grundsätzlich. Sie benötigt keine Derivatisierung und ist bei polaren Analyten wie Glucuroniden im Vorteil; für THC-Carbonsäure im Haar sind mit einem speziellen GC-Verfahren jedoch besonders niedrige Grenzen publiziert. Maßgeblich ist die validierte Leistung der jeweiligen Methode.

Kann LC-MS/MS falsch positive Ergebnisse liefern?

Das Risiko ist deutlich geringer als beim Immunoassay, weil mehrere Übergänge und die Retentionszeit übereinstimmen müssen. Bleibende Fehlerquellen sind Matrixeffekte und Verwechslungen in der Präanalytik, nicht das Messprinzip selbst.

Steht im Befund, welches Verfahren verwendet wurde?

In der Regel ja – die Methodenangabe gehört zum Bericht. Für Haar ist ausschließlich ein chromatographisches Verfahren mit massenspezifischem beziehungsweise Tandem-MS-Detektor zulässig; eine andere Angabe wäre ein Anlass zur Rückfrage.

Verwandte Begriffe

• GC-MS – das alternative Verfahren, das für polare Analyten Derivatisierung braucht
• LC-MS – die einfache Variante mit nur einem Massenanalysator
• Derivatisierung – der Schritt, den die LC-MS/MS gerade nicht benötigt
• Bestimmungsgrenze – die eigentliche Anforderung, an der sich das Verfahren messen lässt
• Matrixeffekt – die wichtigste Störquelle der Methode
• Isotopenverdünnung – sichert die Richtigkeit der Quantifizierung ab

Synonyme: LC-MS/MS, Flüssigchromatographie mit Tandem-Massenspektrometrie, HPLC-MS/MS, Tandem-MS. Stand der fachlichen Angaben: August 2026. Grundlagen: Richtlinien der GTFCh zur Qualitätssicherung und Anhang C zur Haaranalytik, Konsenspapiere der Society of Hair Testing, publizierte Verfahrensvalidierungen, DIN EN ISO/IEC 17025.