Im Chemielabor der ETH Zürich steht ein Gerät, das in etlichen Kliniken und in fast jedem Analyselabor vorhanden ist: ein Elektrospray-Massenspektrometer. Das dient dazu chemische Stoffe aus einer Lösung zu versprühen, aufzuladen und zu analysieren. In Zürich jedoch werden keine Flüssigkeiten untersucht, sondern Luft. Und da der Chemiker Huanwen Chen aus China kommt, hatte er eine ganz besondere Idee.
"Ich bin mit chinesischer Medizin groß geworden. Und in dieser 3000-jährigen Geschichte der chinesischen Medizin wurde immer auch der Atemgeruch benutzt, um bestimmte Krankheiten zu erkennen. Aber die Leute wissen weder wie, noch warum es funktioniert. Und da ich als Chemiker mit modernsten Massenspektrometern arbeite, hatte ich die Idee, doch einmal die Ausatemluft zu analysieren.”"
Normalerweise kann man nur die flüchtigen Bestandteile der Atemluft analysieren. Beispielsweise den Alkohol, wenn man ins Röhrchen pustet. Atemluft ist aber ein Aerosol und enthält damit Tröpfchen voller großer und hochmolekularer Substanzen. Erst jetzt haben die Zürcher Forscher einen Weg gefunden, auch solch große Moleküle wie Harnstoff oder Zucker in der Atemluft zu analysieren. Der Trick dabei: Die Atemluft wird nicht mehr in Flüssigkeit gelöst und erst dann versprüht, sondern einfach über einen Schlauch direkt ins Gerät gepustet. Arno Wortmann, Biochemiker an der ETH Zürich:
""Man pustet für ungefähr zehn Sekunden in das Gerät, und was man simultan macht, ist halt die Messung. Und die Messung an sich ist online, das heißt, in dem Moment, in dem man in das Gerät bläst, bekommt man sofort das Signal der Analyten, die man ausgeatmet hat, auf dem Computer zu sehen, das heißt, im Prinzip kann man sofort, nachdem man das Experiment gemacht hat, mit der Auswertung beginnen."
Was einfach klingt, ist in Wirklichkeit hochkompliziert. Zuerst gelangt die Atemluft in eine kleine Kammer, in der sie elektrisch geladen wird. Dann beginnt für die Moleküle der Atemluft die Flugreise durchs ein Meter lange Massenspektrometer. Je nachdem, ob man nun die ganze Probe untersuchen will oder gezielt nach bestimmten Molekülen wie beispielsweise Harnstoff fahndet, kann man die Probe noch zerteilen. Nach weniger als einer Millisekunde sehen die Chemiker in einem Spektrum, welche Stoffe im Atem vorhanden sind. Renato Zenobi, Leiter der Zürcher Forschergruppe:
"Wenn wir bis zu hochmolekularen Substanzen gehen, denken wir, dass wir einen richtigen Stoffwechsel-Fingerabdruck des Probanden aufnehmen können. Und das kann dann für mögliche klinische und medizinische Anwendungen sehr interessant sein."
Möglicherweise könnten sogar Blutentnahmen am Patienten entfallen. Doch bis dahin ist es noch ein weiter Weg, denn erst einmal muss das Verfahren in einer Patientenstudie überprüft werden. Schneller könnte es hingegen mit einer anderen Anwendung gehen. Zenobi:
"Früchte werden oft gelagert, manchmal tagelang oder sogar wochenlang, und die möchte man dann natürlich in die Läden bringen, wenn die den optimalen Reifezustand haben. Und da haben wir was versucht mit Bananen, Erdbeeren und Trauben. Und das ging dann so, dass wir einen Gasstrom, also Stickstoffstrom auf die Banane geleitet haben, und dann weiter ins Massenspektrometer auf die genau gleiche Art. Und wir konnten sehr schnell und absolut problemlos eine unreife von einer reifen oder überreifen Banane unterscheiden."
Dasselbe funktionierte auch bei Erdbeeren und Trauben. Ohne dass die Früchte zerstört werden müssen, zeigen sie je nach Reifegrad unterschiedliche Spektren. Sogar tiefgefrorenes Gammelfleisch und alten Fisch kann das Gerät aufspüren. Je nach Alter findet man da nämlich Stoffwechselprodukte von Colibakterien. Zenobi:
"Und da können sie jetzt unterscheiden, ob eine gefrorene Fischprobe null Tage, einen Tag oder zwei Tage an der Luft gelegen ist. Man sieht den Unterschied."
"Ich bin mit chinesischer Medizin groß geworden. Und in dieser 3000-jährigen Geschichte der chinesischen Medizin wurde immer auch der Atemgeruch benutzt, um bestimmte Krankheiten zu erkennen. Aber die Leute wissen weder wie, noch warum es funktioniert. Und da ich als Chemiker mit modernsten Massenspektrometern arbeite, hatte ich die Idee, doch einmal die Ausatemluft zu analysieren.”"
Normalerweise kann man nur die flüchtigen Bestandteile der Atemluft analysieren. Beispielsweise den Alkohol, wenn man ins Röhrchen pustet. Atemluft ist aber ein Aerosol und enthält damit Tröpfchen voller großer und hochmolekularer Substanzen. Erst jetzt haben die Zürcher Forscher einen Weg gefunden, auch solch große Moleküle wie Harnstoff oder Zucker in der Atemluft zu analysieren. Der Trick dabei: Die Atemluft wird nicht mehr in Flüssigkeit gelöst und erst dann versprüht, sondern einfach über einen Schlauch direkt ins Gerät gepustet. Arno Wortmann, Biochemiker an der ETH Zürich:
""Man pustet für ungefähr zehn Sekunden in das Gerät, und was man simultan macht, ist halt die Messung. Und die Messung an sich ist online, das heißt, in dem Moment, in dem man in das Gerät bläst, bekommt man sofort das Signal der Analyten, die man ausgeatmet hat, auf dem Computer zu sehen, das heißt, im Prinzip kann man sofort, nachdem man das Experiment gemacht hat, mit der Auswertung beginnen."
Was einfach klingt, ist in Wirklichkeit hochkompliziert. Zuerst gelangt die Atemluft in eine kleine Kammer, in der sie elektrisch geladen wird. Dann beginnt für die Moleküle der Atemluft die Flugreise durchs ein Meter lange Massenspektrometer. Je nachdem, ob man nun die ganze Probe untersuchen will oder gezielt nach bestimmten Molekülen wie beispielsweise Harnstoff fahndet, kann man die Probe noch zerteilen. Nach weniger als einer Millisekunde sehen die Chemiker in einem Spektrum, welche Stoffe im Atem vorhanden sind. Renato Zenobi, Leiter der Zürcher Forschergruppe:
"Wenn wir bis zu hochmolekularen Substanzen gehen, denken wir, dass wir einen richtigen Stoffwechsel-Fingerabdruck des Probanden aufnehmen können. Und das kann dann für mögliche klinische und medizinische Anwendungen sehr interessant sein."
Möglicherweise könnten sogar Blutentnahmen am Patienten entfallen. Doch bis dahin ist es noch ein weiter Weg, denn erst einmal muss das Verfahren in einer Patientenstudie überprüft werden. Schneller könnte es hingegen mit einer anderen Anwendung gehen. Zenobi:
"Früchte werden oft gelagert, manchmal tagelang oder sogar wochenlang, und die möchte man dann natürlich in die Läden bringen, wenn die den optimalen Reifezustand haben. Und da haben wir was versucht mit Bananen, Erdbeeren und Trauben. Und das ging dann so, dass wir einen Gasstrom, also Stickstoffstrom auf die Banane geleitet haben, und dann weiter ins Massenspektrometer auf die genau gleiche Art. Und wir konnten sehr schnell und absolut problemlos eine unreife von einer reifen oder überreifen Banane unterscheiden."
Dasselbe funktionierte auch bei Erdbeeren und Trauben. Ohne dass die Früchte zerstört werden müssen, zeigen sie je nach Reifegrad unterschiedliche Spektren. Sogar tiefgefrorenes Gammelfleisch und alten Fisch kann das Gerät aufspüren. Je nach Alter findet man da nämlich Stoffwechselprodukte von Colibakterien. Zenobi:
"Und da können sie jetzt unterscheiden, ob eine gefrorene Fischprobe null Tage, einen Tag oder zwei Tage an der Luft gelegen ist. Man sieht den Unterschied."