Fall 12 Radprofi unter Dopingverdacht

Wie man einen Dopingsünder überführt
 

Hinweis: Es hilft, wenn Kapitel 5 vorher schon gemacht wurde, notwendig ist es jedoch nicht.

 

Nach seinem fulminanten Etappen-Sieg an der Tour de Suisse, wird der Schweizer Radprofi Peter Meier zur Doping-Nachkontrolle aufgeboten. Sein Urin wird mittels Gas-Chromatografie untersucht.

Du arbeitest bei der Dopingbehörde. Die Probe gibst du zur Bestimmung im Gas-Chromatografen (GC) deiner Laborantin. Die Auswertung musst du als Chef/-in selbst vornehmen.

 

Theorie zur Gaschromatographie

Grundsätzlich funktioniert ein Gaschromatograf, meist kurz als „GC“ bezeichnet, gleich wie die Dünnschicht- und Säulenchromatografie.

Wesentliche Unterschiede sind:

• Die Probe muss verdampft werden können
• Es reichen viel kleinere Stoffmengen (Nanogramm-Bereich)
• Die Trennung ist so fein, dass Dutzende oder sogar Hunderte von Stoffen unterschieden werden können

Man spricht ebenfalls von einer „Trennsäule“, diese ist allerdings ein millimeterdünner, dafür meterlanger, aufgewickelter Schlauch. Sie wird auf bis zu 400°C beheizt.

Die mobile Phase wird von einem Trägergas (z.B. Argon oder Stickstoff) gebildet. Dieses transportiert die Probe durch die Säule.
Die stationäre Phase ist ein Pulver, mit dem die Trennsäule gefüllt ist. Oft handelt es sich dabei um Kieselgel (SiO₂-Pulver), das gleiche Material mit dem auch DC-Plättchen (siehe Kapitel II) beschichtet sind.

Die zu untersuchende Probe wird mit einer Mikroliter-Spritze vor der Trennsäule in den Gasstrom eingespritzt. Die Probe trennt sich nun in die einzelnen Komponenten (Bestandteile) auf, die alle zu unterschiedlichen Zeiten am andern Ende aus der Säule austreten. Dort werden sie von einem Wärmeleitfähigkeits-Detektor nachgewiesen und als „Peak“ (Mess-Ausschlag) aufgezeichnet.

Die Zeit vom Einspritzen bis zum Aufzeichnen einer Komponente bezeichnet man als „Retentionszeit“.

Mit modernen Geräten können Stoffe noch in Konzentrationen von weniger als 10^-8 ppm nachgewiesen werden. Dabei steht ppm für „parts per million“, also Anzahl Teilchen in einer Million.

Häufig sind noch Massenspektrometer nachgeschaltet, sodass man auch Aussagen über die chemische Struktur der einzelnen Bestandteile einer Probe machen kann.

    
Abbildungen
links: Ein Gaschromatogramm von Kaffee-Aroma. Einige der wichtigen Peaks wurden mit dem zugeordneten Aroma beschriftet. 
rechts: Auswertung eines GC’s: Die Retentionszeiten betragen 20 (Propan) resp. 100 Sekunden (Butan).

Bildquelle: Schroedel, „Chemie heute SII“

 

2.1.    Das Trennprinzip

Die Trennung beruht auf der fortwährenden Einstellung von Verteilungsgleichgewichten. Die einzelnen Stoffe verteilen sich aufgrund ihrer Eigenschaften in einem bestimmten Verhältnis zwischen der festen stationären und der gasförmigen mobilen Phase.

Abbildung: Schematische Darstellung des Vorgangs in der Trennsäule

Wichtig ist folgendes:

• Je länger ein Teilchen im Schnitt in der mobilen Phase ist, desto schneller kommt es vorwärts. Diese unterschiedlichen Wanderungsgeschwindigkeiten führen zur chromatografischen Trennung.
• Zur Identifizierung eines einzelnen Stoffes vergleicht man dessen Retentionszeit t_R mit derjenigen der reinen Vergleichssubstanz (man muss also wissen, was man sucht!).
• Die Fläche unter dem Peak ist proportional zur Stoffmenge eines Stoffes.  Vereinfacht wird sie wie folgt berechnet: Breite in halber Höhe x Peakhöhe (siehe Abb.).
  Achtung: Die Fläche pro Konzentration ist für jeden Stoff anders, muss also immer einzeln bestimmt werden.

Aufgabe

Deine Laborantin kann den Gaschromatografen (GC) zwar bedienen, sie ist aber mit der Auswertung noch nicht vertraut. Überlege, worauf sie alles achten muss, damit Du dann die Auswertung (Analyse) vornehmen kannst. Dabei ist wichtig, dass eindeutig bestimmt werden kann, ob Amphetamine oder Anabolika enthalten sind und dass auch die Menge eines allfällig vorhandenen Dopingmittels abgeschätzt werden kann.

Mit folgendem Quiz kannst Du nun Dein Verständnis prüfen, bevor Du zur Aufgabe weitergehst:

Die Laborantin bringt Dir die untenstehenden Gaschromatogramme (GC‘s). Werte diese aus und gib an, ob der Radfahrer gedopt war oder nicht.

Abbildungen:
links:    Gaschromatogramm der Urinprobe.
rechts: Referenz-GC, erstellt mit Konzentrationen von 100 ng/mL für Amphetamin, respektive 2500 ng/mL für Anabolika (1ng = 1 Nanogramm = 1 milliardstel Gramm).

Gesetzliche Grenzwerte:     

• Amphetamin: 25 ng/mL
• Anabolika: kein Grenzwert (immer verboten, unabhängig von der Menge)

 

Notiere die Retentionszeiten von Amphetamin und Anabolika. Falls der Sportler mit einer der Substanzen gedopt war, so berechne die gemessene Konzentration. Anschliessend starte das Quiz: