Analyse komplexer molekularer Systeme anhand zweidimensionaler Gaschromatographie (GCxGC-TOF-MS) und chemometrischer Datenanalyse. Forensische Anwendung auf chemische Signaturen von Drogen
M. Schäffer (HMGU), T. Gröger (HMGU), M. Pütz (BKA), B. Ahrens (BKA), R. Zimmermann (UR/HMGU)
Die chemische Charakterisierung von Drogen hat bei den kriminologischen Behörden als analytisches Werkzeug an Bedeutung gewonnen und wird oft erfolgreich eingesetzt um zusätzliche Informationen über den verborgenen Herstellungsprozess, die verwendeten Ausgangsstoffe, die Verteilernetze, die Verknüpfung von verschiedenen Delikten und manchmal auch Hinweise auf Quellen oder sogar geographische Herkunft zu erhalten. Das chemische Profiling von illegalen Drogen ist ein komplexer Prozess: Die Ergebnisse werden von verschiedenen Faktoren beeinflusst, wie z. B. der Stichprobengröße, den Probenverarbeitungsbedingungen, den verwendeten analytischen Techniken sowie den verwendeten statistischen Methoden. Um eine effiziente Trennung von Haupt-, Unter- und Spurenstoffen zu erhalten ist eine hohe Trennleistung des eingesetzten (chromatographischen) Systems erforderlich. Da vor allem die Unter- und Spuren-Verbindungen von Interesse sind, ist darüber hinaus eine hohe Empfindlichkeit des analytischen Systems erforderlich. Die umfassende zweidimensionale (2D) Gaschromatographie (GC × GC) erfüllt diese Anforderungen. Die daraus resultierenden höherdimensionalen Daten werden verwendet, um Marker-Verbindungen zu identifizieren, die die Diskriminierung der Proben anhand ihres chemischen Profils erlauben. Die nicht-zielgerichtete pixelbasierte chemometrische Datenanalyse umfasst Vorverarbeitungsschritte (Hintergrund-Korrektur, Ausrichtung von Chromatogrammen, Normierung) gefolgt von einer Anpassung des hierarchischen Clustering um chemisch ähnliche Proben zu identifizieren und von Varianzanalyse- / Diskriminierugsanalyse-Techniken zur Identifizierung vielversprechender Verbindungen welche die Diskriminierung der Proben erlauben.
- Fig. 1 (A): Berechnetes mittleres Chromatogramm aller Cannabisharz-Proben. (B) Berechnetes mittleres Chromatogramm aller Marihuana-Proben.
In einer Konzept-Studie haben wir gezeigt, dass die zweidimensionale Gaschromatographie (GCxGC) zusammenmit einer bild-basierten chemometrischen Datenverarbeitung geeignet ist, um Batch-to-batch-Vergleiche von beschlagnahmten realen Heroin- und Cannabisprodukten auf der Basis enthaltener Verunreinigungen zu ermöglichen. Dazu wurden Proben dieser Produkte extrahiert und mit GC × GC-TOF-MS (Flugzeit-Massenspektrometer) und GC × GC-FID (Flammenionisationsdetektor) analysiert. Die verwendete Pixel-basierte hierarchische Clusterbildung ermöglichte es, die Proben entsprechend ihrer chemischen Profile in Gruppen zu teilen. Diese Gruppierung deckte sich gut mit den Ergebnissen etablierter vergleichender Studien und / oder dem forensischen Hintergrund der Proben.
- Fig. 2 (A): Hypothetische Dendrogrammdarstellung der Proben Verknüpfung nach dem forensischen Hintergrund. Das hierarchisches Clustering entsprechend der zweiddimensionalen chemischen Signatur der GCxGC-TOF-MS-Analyse ist in (B) dargestellt. Line I schneidet das Dendrogramm entsprechend der Hauptgruppen, Line II entsprechend der Untergruppen.
3,4 Methylendioxymethamphetamin ("Ecstasy") ist ein strukturelles Derivat von Betaphenylethylamine und gehört zur Gruppe der Amphetamine. Die Popularität von MDMA als Droge hat in den 1990ern zugenommen demzufolge auch die illegale Herstellung. Noch heute ist MDMA eine der beliebtesten Drogen.
Die Proben wurden nach einer festgelegten und harmonisierten Methode extrahiert. Um das Diskriminierungspotential bewerten zu können mussten mehrere reale Proben anhand der zweidimensionalen Verunreinigungsprofile miteinander verglichen werden. Die Anwendung der chemometrischen Datenanalyse erlaubte die Identifikation potenzieller Marker-Verbindungen, die die Unterscheidung der Proben ermöglichten Neben den bereits bekannten Zielanalyten konnten verschiedene zusätzliche Verbindungen ermittelt werden, die sich spezifisch auf die vergleichende zweidimensionale Analyse stützen.
- Fig. 3: Die Datenanalyseroutine liefert statistisch signifikante Peaks für Diskriminierung der vorgegebenen Proben. Viele der gefundenen Marker (nummeriert) sind Zielverbindungen die bereits aus der eindimensionalen Standard-Profiling-Methode bekannt sind. Die bekannten forensischen Verbindungen zwischen den Proben sind auf der linken Seite der Grafik dargestellt.
"Spice" ist ein Oberbegriff für eine Mischung aus verschiedenen Kräutern mit synthetischen Cannabis-Verbindungen. In den Jahren 2008 / 2009 konnten einige dieser Verbindungen identifiziert werden und sind nun in Deutschland und weiten Teilen Europas verboten. Abgesehen von den wichtigsten Verbindungen ist nur sehr wenig über die chemische Zusammensetzung von "Spice" bekannt. Um mehr Informationen über die chemische Zusammensetzung herauszufinden wurden verschiedene Spice-Produkte in Zusammenarbeit mit dem Universitätsklinikum Freiburg (Abteilung Forensik) analysiert. Äthanolische Extrakte wurden sowohl durch eindimensionale als auch durch die umfassende zweidimensionale Gaschromatographie auf zusätzliche cannabimimetische Verbindunge und auf das Vorhandensein von Verunreinigungen analysiert. Erste Ergebnisse deuten darauf hin, dass nutzbare charakteristische Verunreinigungen existieren könnten.
- Fig. 4: Ausschnitt aus einem GCxGC-TOF-MS-Chromatogramm eines äthanolischen Spice-Extrakts. Es wurden synthetische Cannabinoide und mögliche Verunreinigungen gefunden, die eine gewisse Korrelation mit der Cannbinoidkonzentration zeigen.
