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Analytische Chemie und Biochemie - Grundlage zur Erforschung von Zusammenhängen
 
 

Inhalt:

Chemische und biochemische Stoffe Methoden der analytischen Chemie und Biochemie Zur Qualität von Analysenergebnissen Was macht man mit den Daten ?

Chemische und biochemische Stoffe

Chemische und biochemische Prozesse bilden die natürliche stoffliche Grundlage allen Lebens. Für das Verstehen der vielfältigen Zusammenhänge im menschlichen oder tierischen Organismus, in der Pflanzenwelt sowie auch in den uns umgebenden Umweltkompartimenten (Luft / Wasser / Boden bzw. Sediment) ist es essentiell, die einzelnen chemischen und biochemischen Stoffe zu detektieren, zu identifizieren und in ihrer Konzentration bzw. Menge zu bestimmen. Dieses alles ist Aufgabe der analytischen Chemie bzw. dort, wo es sich um biochemische Substanzen handelt, der analytischen Biochemie (Bioanalytik).

Analytische Messverfahren sind aus in unserem heutigen Leben kaum noch wegzudenken. Wichtige Anwendungen liegen im Bereich der medizinischen Diagnostik (klinische Chemie), der Wirkungsforschung (Pharmazie / Toxikologie) sowie in der Überwachung von Gefahrstoffen am Arbeitsplatz, in Abgasen oder in technischen Produkten.

Etwa seit Mitte der 80er-Jahre hat darüber hinaus die so genannte Umweltanalytik erheblich an Bedeutung gewonnen. Hierbei handelt es sich um den Nachweis und die quantitative Bestimmung einer Vielzahl an anorganischen und organischen chemischen Stoffen in der Luft, im Wasser, im Boden oder auch im Organismus ("Bio-Monitoring"). Die Umweltanalytik ist der Regel eine Spurenanalytik, d.h. es handelt sich um den Nachweis und die Quantifizierung von teilweise extrem kleinen Substanzmengen bzw. -konzentrationen.
 

Methoden der analytischen Chemie und Biochemie

Für die Messung der Konzentration vieler anorganischer Gase (z.B. SO₂, NO, NO₂, O₃, CO, CO₂) stehen heute direktanzeigende Messgeräte zur Verfügung. Ihr Einsatz ist vergleichsweise kostengünstig und kann mit hoher Zeitauflösung der Einzelmesswerte erfolgen.

Im Gegensatz hierzu ist die analytische Bestimmung organisch-chemischer Stoffe erheblich aufwändiger und teurer. Der Nachweis und die Quantifizierung erfolgt hier in der Regel nach unterschiedlichen Probenahme- und Probenaufarbeitungsschritten mit Hilfe der modernen instrumentellen Analysentechniken. Hierzu zählen die Gaschromatographie (GC), die Hochleistungsflüssigchromatographie (HPLC), die Massenspektrometrie (MS), die Kapillarelektrophorese (CE) sowie spektroskopische Verfahren (IR, UV, Raman). Häufig wird auch eine Kombination aus mehreren Trenn- bzw. Nachweisverfahren angewandt (z.B. GC/MS oder HPLC/MS/MS).

Auch die analytische Bestimmung von biochemischen Stoffen (Enzyme, Allergene, Mediatoren, Hormone u.v.m.) ist relativ aufwändig. Chemisch gesehen handelt es sich bei biochemischen Substanzen häufig um Proteine oder Glykoproteine. Die Stofftrennung erfolgt daher oft unter Verwendung elektrophoretischer Methoden, z.B. der Natriumdodecylsulfat-Gelelektrophorese (SDS-PAGE) oder der isoelektrischen Fokussierung. Beide Methoden können auch kombiniert im Rahmen einer 2D-Elektrophorese angewendet werden. Die Detektion der Substanzen erfolgt dann beispielsweise mit Hilfe immunchemischer Nachweisverfahren oder auch unspezifisch durch Färbemethoden. Die Aminosäuresequenz eines Proteins lässt sich durch eine automatisierbare N-terminale Sequenzierung (Edmann-Abbau) ermitteln. Für etliche Substanzen stehen heute ebenfalls enzymatische Testverfahren (ELISA, RIA, EIA) zur Verfügung, die eine schnellere und kostengünstigere (Screening-)Analyse erlauben.

Bei der Bestimmung biochemischer Stoffe haben in den letzten Jahren vor allem auch molekularbiologische Methoden erheblich an Bedeutung gewonnen. So ist es beispielsweise mit Hilfe der Polymerase-Kettenreaktion (PCR) möglich, geringste Mengen an genetischem Material (m-RNA bzw. c-DNA) sicher nachzuweisen. Da das Verständnis der molekularbiologischen Zusammenhänge und Abläufe im Organismus bzw. in einer Zelle zunehmend fortschreitet, werden heute ergänzend zur Detektion bestimmter biochemischer Stoffe, die ja letztlich häufig quasi das Endprodukt einer durch genetische Signale ausgelösten Reaktionskette darstellen, auch direkt die Expression der Gene selber bestimmt (Genexpressionsanalysen). Das heißt, man kann detektieren, ob ein bestimmtes biologisches Signal durch eine äußere Noxe an- oder abgeschaltet wird.
 

Zur Qualität von Analysenergebnissen

Die Leistungsfähigkeit moderner analytischer Nachweis- und Bestimmungsverfahren ist in den vergangenen Jahrzehnten um Größenordnungen verbessert worden. Vergleicht man einmal die Konzentrationsverhältnisse in einer beliebigen Analysenprobe gedanklich mit dem Gehalt an Würfelzucker im Bodensee, so ist es mit den heutigen Methoden der Spurenanalytik ohne Weiteres möglich zu bestimmen, ob im Bodensee ein Stück Würfelzucker oder zwei Stücke Würfelzucker aufgelöst worden sind !

Für die Aussagefähigkeit von Analysenergebnissen ist jedoch deren Qualität von entscheidender Bedeutung. Wichtig ist hierbei neben einer ausreichend hohen Genauigkeit auch ganz wesentlich die Richtigkeit des Messergebnisses. Die Genauigkeit eines Messverfahrens, also das Maß der Streuung der Einzelergebnisse, lässt sich experimentell sehr leicht durch Parallel- und/oder Wiederholmessungen untersuchen und in Form der Standardabweichung mathematisch ausdrücken bzw. berechnen. Ein hohes Maß an Richtigkeit eines Analysenergebnisses kann erreicht werden durch die fortlaufend durchgeführte und methodisch korrekt angewendete Kalibrierung der jeweiligen Analysengeräte sowie durch gelegentliche Kontrolle der Systeme mit Hilfe von zertifizierten Referenzmaterialien.

Daneben ist zu beachten, dass nur solche Messergebnisse hinreichend valide sind, die eindeutig oberhalb der Nachweis- bzw. der Bestimmungsgrenze liegen.
 

Was macht man mit den Daten ?

Der enorme Fortschritt hinsichtlich der Sensitivität und Selektivität der modernen analytischen Methoden hat dem Fachgebiet der Analytischen Chemie und Biochemie immer weitergehende Anwendungsfelder erschlossen.

Diese Entwicklung hat jedoch auch dazu geführt, dass bei vielen Untersuchungen letztlich eine Fülle an Daten erhalten wird, ohne dass jedoch in gleichem Umfang immer das Wissen um die toxikologische bzw. medizinische Bedeutung dieser Daten zugenommen hätte. Dieses ist in der Regel um so ausgeprägter, je niedriger die Konzentrationen der betreffenden Sunstanzen sind. Ein großes Problem besonders auch der Umweltanalytik ist es daher heute oftmals, dass zwar die Konzentration eines bestimmten Stoffes in einer bestimmten Probe auch im Spurenbereich mit einem hohen Maß an Genauigkeit und Richtigkeit bestimmt werden kann, doch welche Wirkung hiervon auf den Menschen oder auf das Ökosystem ausgeht, ist weitaus schwieriger zu bestimmen oder in vielen Fällen noch völlig unbekannt. Dieses ist der Öffentlichkeit immer wieder Anlass für Irritationen oder auch groben Fehlinterpretationen. Auf der folgenden Seite wird auf diese Thematik näher eingegangen.  

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