Das SPECTRO MS ist ein doppelt fokussierendes Sektorfeld-Massenspektrometer (ICP-MS) in Mattauch-Herzog-Geometrie

Die wissenschaftliche Beweisführung spielt im heutigen Justizsystem eine wichtige Rolle. Im Rahmen vieler weithin bekannter Kriminaluntersuchungen werden Schlüsse auf Basis kriminaltechnischer Untersuchungen gezogen. An der Sammlung kriminaltechnischer Beweise sind viele wissenschaftliche Zweige beteiligt - von häufig propagierten Techniken wie der DNA-Analyse bis hin zu Pathologie, Botanik und natürlich der chemischen Analyse. Die Elementanalyse eines im Rahmen einer Untersuchung aufgefundenen Objektes kann wertvolle Hinweise auf seinen Ursprung und seine Geschichte liefern. Da das Objekt selbst eventuell als Beweismittel erhalten bleiben muss, sollten die verwendeten Untersuchungstechniken idealerweise zerstörungsfrei sein. Die Unterschiede der Proben in Bezug auf Typ und Größe sind praktisch unbegrenzt: von der Bodenprobe über von Schusswaffen abgeschossene Kugeln bis hin zu mikroskopischen Spuren von Schussrückständen oder Glassplittern. Archäometrie und die Anwendung wissenschaftlicher Methoden in der Archäologie haben ähnliche Anforderungen. Die energiedispersive Röntgenfluoreszenzspektrometrie (EDRFA) ist eine vielseitige analytische Technik, die beide der genannten Anforderungen erfüllt: Sie arbeitet zerstörungsfrei, benötigt nur sehr wenig Probenvorbereitung und lässt sich bei allen Probenabmessungen, von großen Oberflächen bis hin zu Mikrometern, einsetzen. Das breite Angebot an EDRFA-Spektrometern von SPECTRO Analytical Instruments und EDAX, beide Tochterunternehmen der AMETEK Inc., stellt Lösungen für viele Anforderungen der Elementanalytik in kriminaltechnischen Untersuchungen und der Archäometrie zur Verfügung.

Die Elementanalyse und die Messung von Isotopenverhältnissen sind bewährte Methoden in der Geochemie. Sie kommen in großem Umfang bei der geologischen Altersbestimmung und der Ermittlung geologischer Fingerabdrücke von Steinen, Mineralien und Keramik zum Einsatz. Insbesondere die sogenannten Seltenerdmetalle werden umfassend als diagnostische Indikatoren genutzt. Dafür bedarf es akkurater Messungen bei extrem niedrigen Konzentrationen. Bei der verwandten Technik der Isotopen-Verdünnungsanalyse handelt es sich um eine Bestimmungsmethode, mit der sich extrem präzise Messungen von Spurenelementkonzentrationen in geologischen Proben durchführen lassen. Die Isotopenverdünnung wird außerdem häufig in der Präparation und Charakterisierung von Standardreferenzmaterialien (SRM) angewandt.

Die Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-MS) ist eine weit verbreitete Analysemethode für Messungen dieser Art. Dabei wird eine Lösung der Probe in die Hochtemperatur- Umgebung eines induktiv gekoppelten Plasmas eingebracht. Das Plasma atomisiert die Probe und ionisiert danach die Atome (Isotope). Die dabei entstehenden Ionen werden in ein Massenspektrometer überführt, welches diese nach ihrem Masse-zu-Ladung-Verhältnis separiert. Die meisten Geräte arbeiten dabei sequentiell („scannen“), das bedeutet, dass für den interessierenden Massenbereich die zu bestimmenden Isotopensignale entsprechend ihrer Massenzahl nacheinander gemessen werden. Da immer nur ein einzelnes Masse-zu-Ladung-Verhältnis gemessen wird, können jegliche Fluktuationen im Prozess der Probenzuführung, dem Plasma oder dem Detektionssystem zu Abweichungen in den untersuchten Isotopenverhältnissen führen. Darüber hinaus kann es erwünscht sein, ein ganzes Spektrum von Elementen zu messen, um einen elementaren „Fingerabdruck“ der Probe zu erhalten und so die Auswertung verschiedener Berechnungsstrategien anhand unterschiedlicher Isotop-Kombinationen zu ermöglichen.

Herkömmliche Geräte können häufig bestenfalls einen sehr geringen Massenbereich simultan messen. Andere arbeiten mit einem gepulsten Ionenstrahl, der die Empfindlichkeit und den dynamischen Arbeitsbereich einschränkt. Geräte, die verhältnismäßig langsam scannen oder nur in einem begrenzten Massenbereich simultan messen, haben also deutliche Nachteile, insbesondere bei der Messung zeitaufgelöster „transienter“ Signale, wie sie etwa bei der Kopplung mit chromatographischen Methoden wie HPLC, oder bei der Probenzuführung durch Laserablation vorkommen. Die Technologie der Instrumente entwickelt sich stetig weiter, um diese Probleme zu mindern, doch bis heute beruhen die meisten ICP-MS-Geräte mehr oder weniger auf sequentieller Technologie – mit all den damit verbundenen Problemen.

Massenspektrometrie hat sich in der pharmazeutischen Industrie als beliebtes und weit verbreitetes Verfahren für die Analyse und Identifizierung organischer Verbindungen etabliert. Das gleiche Grundprinzip eignet sich auch für die Elementanalyse. Von besonderem Interesse ist dabei die ICP-MS, bei der ein Massenspektrometer mit induktiv gekoppeltem Plasma als Ionenquelle zum Einsatz kommt. Dies ist eine der nachweisstärksten Technologien, die uns heute für die Entdeckung und Quantifizierung metallischer Verunreinigungen und anderer anorganischer Stoffe in pharmazeutischen Produkten zur Verfügung steht. Solche Stoffe können auf vielen Wegen in Pharmazeutika gelangen: als aktiver Wirkstoff, als Unreinheit in Rohstoffen oder als Verunreinigung bei Transport und Lagerung. Einige von ihnen, insbesondere die Schwermetalle, sind bekannte Giftstoffe und werden als solche streng überwacht. Da Medikamente bei den meisten Behandlungen wiederholt verabreicht werden, gilt es bei der Definition der zulässigen Grenzwerte stets auch die kumulierte Aufnahme der toxischen Elemente zu berücksichtigen, so dass die Analyseverfahren besonders niedrige Nachweisgrenzen erreichen müssen. Im Rahmen von Qualitätskontrollen gilt es eine Reihe von Metallen in sehr niedrigen Bereichen zu erkennen. Umgekehrt können in anderen Produkten – etwa in Diätnahrungsmitteln – aber sehr hohe Gehalte einiger Elemente auftreten.

Die perfekte Technologie für die Elementanalyse in pharmazeutischen Produkten muss also in der Lage sein, ein breites Elementspektrum auf Spurenelement-Niveau zu erfassen, und über einen breiten dynamischen Bereich verfügen, um auch höhere Konzentrationen zu bestimmen. Hinzu kommt, dass die Analysetechnologie für unterschiedlichste Proben- Matrices geeignet sein muss, darunter Rohstoffe, Zwischenprodukte, Prozesschemikalien, Lösungsmittel und Fertigprodukte. Das Verfahren muss dabei zusätzlich einer Reihe von Qualitätsprotokollen der pharmazeutischen Industrie entsprechen, zum Beispiel der US FDA 21 CFR Part 11. Neu eingereichte Richtlinien der US Food and Drug Administration (FDA) definieren zudem Grenzwerte für elementare Verunreinigungen in pharmazeutischen und analytischen Prozessen.

Im Fokus dieser Richtlinien stehen zwei Analyseverfahren: die optische Emissionsspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-OES) und die Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-MS). Das neue SPECTRO MS ist das weltweit erste vollständig simultan messende ICP-MS-System. Die simultane ICP-MS bietet im Vergleich mit klassischen Massenspektrometern eine ganze Reihe von Vorteilen. Das vorliegende White Paper beschreibt das revolutionäre Design des SPECTRO MS und liefert Beispiele für dessen Einsatz in der pharmazeutischen Industrie. Die ICP-MS lässt sich bei Bedarf auch mit anderen Technologien wie HPLC und IC koppeln; dieses White Paper beschäftigt sich aber ausschließlich mit den klassischen Anwendungen dieser Technologie.