Angelo DePalma ist ein freiberuflicher Autor und lebt in Newton, New Jersey.Sie erreichen ihn unter angelodp@gmail.com.
Die schnelle und zuverlässige Erkennung gefährlicher Materialien vor Ort hat sowohl auf privaten als auch auf staatlichen Sicherheitsmärkten höchste Priorität.Gleichzeitig erlebten Massenspektrometer (MS) und Gaschromatographen (GC) eine Demokratisierung durch Miniaturisierung, Vereinfachung, verbesserte Benutzerfreundlichkeit und Anwendbarkeit auf spezifische Aufgaben.Daher sind GC-MS-Systeme, die meist Elektronenionisation verwenden, die gebräuchlichsten tragbaren MS-Systeme zur Sprengstoffdetektion im Feld. Tragbares Röntgenscreening
„Aber die Chromatographie erhöht die Zeit und die Komplexität“, sagt Brian Musselman, PhD, CEO von IonSense (Saugus, MA).IonSense hat sich mit Waters, einem führenden Unternehmen im Bereich LC und LC-MS, zusammengetan, um Massendetektoren zu entwickeln, die zur Umgebungsionisation geeignet sind und laut Musselman „sehr zuverlässig und so klein wie möglich mit hoher Leistung sind – das heißt, die Fähigkeit, die Masse eines Ions in Sekunden zu bestimmen.“
Anstatt sich bei der Trennung explosiver Rückstandskomponenten auf die GC zu verlassen, nutzt IonSense seine DART-Umgebungsionisationsquelle (Direct Analysis in Real Time), um Ionen aus Proben mit geringer oder keiner Probenvorbereitung zu erzeugen.DART erzeugt Ionen aus nahezu jeder Art von Probe – Gas, Flüssigkeit oder Feststoff – und eignet sich daher ideal zum Screening oder in einigen Fällen zur Bestätigung des Vorhandenseins von Sprengstoffen in nicht explodierter oder detonierter Form.Die Ionisierungsmethode funktioniert auch bei Medikamenten, giftigen Chemikalien, chemischen Kampfstoffen, Tinten und Farbstoffen, Pestiziden und Lebensmittelverfälschungsmitteln.
IonSense hat kürzlich eine Thermodesorptionseinheit in seine DART-Quelle eingeführt, die die Probeneinführung durch die gleichen Arten von Tupfern ermöglicht, die Transportsicherheitspersonal bereits für die Überprüfung von Gepäck, Kunststoffen, Metallen, Verpackungen und Banknoten auf Sprengstoffrückstände verwendet.DART ionisiert Verbindungen durch die Kombination von thermischer Desorption zur Verdampfung der Probe und Penning-Ionisation zur Erzeugung eines ionisierenden Gasbereichs, der die Probenmoleküle umgibt.Bei durch Abstrichproben entnommenen Proben fließen die Analyten direkt in den DART-Gasstrom, wo sie ionisieren, typischerweise durch Zugabe eines Protons zum intakten Molekül.Protonierte Spezies gelangen in den atmosphärischen Einlass des MS, wo sie in Sekundenschnelle analysiert werden.
Die Explosionsanalyse umfasst fast immer nicht explodierte Materialien im Rückstand.„Der Hauptunterschied zwischen detonierten und nicht detonierten Materialien ist die Menge an nicht explodiertem Material“, sagt Musselman, da „nichts vollständig verbrennt“.
Während eine GC-Trennung 15 bis 30 Minuten dauern kann, dauert die DART-Ionisierung einige Sekunden und liefert viel mehr Informationen – die durch die GC-Spur definierten Massenpeaks sowie zusätzliche Verbindungen.Für Sprengstoffe zeigt DART je nach DART-Methode protonierte und deprotonierte Ionen, Beschleuniger, Initiatoren und Massenvarianten davon an.IonSense hat ein Begleitionendatenanalyseprogramm entwickelt, das einen umgekehrten Bibliothekssuchalgorithmus nutzt, um die potenzielle Identität jeder wichtigen Chemikalie in der Probe zu bestimmen.Das Programm PIMISA ist einzigartig für IonSense DART-Ionisatoren.Es funktioniert durch die Verarbeitung von Massenspektren, die durch Anpassen der Eingangsspannung des Massendetektors gesammelt wurden, um Fragmentpeaks zu erzeugen, die für bestimmte interessierende Verbindungen diagnostisch sind.Mit PIMISA vereinfacht das DART-QDa-System des Unternehmens „die Analyse, reduziert die Komplexität und gibt bestätigende Antworten“, so Musselman.
Eine Stärke von DART für diese forensischen Anwendungen besteht darin, dass es eine sanftere Ionisierungsmethode darstellt, die eher der LC-MS-Ionisierung ähnelt und somit eine größere Chance bietet, mehr niedrig konzentrierte Komponenten aufzudecken als herkömmliche GC-MS.Die Analyse könnte eine detaillierte Übereinstimmung zwischen den an einer Explosionsstelle gefundenen Rückständen und Gegenständen im Fahrzeug oder Haus eines Verdächtigen oder zwischen zwei Orten liefern.Während herkömmliche GC- und GC-MS-Analysen die Identität von an zwei Orten gefundenen Sprengstoffen bestätigen können, kann DART-MS vor Ort sofortiges Feedback zu Inhaltsstoffen und Verunreinigungen liefern, was besonders für die Beweiserhebung nützlich ist.
Flughäfen, Orte, an denen Sprengstoffe äußerst besorgniserregend sind, nutzen Ionenmobilitätsinstrumente, um nach Bomben zu suchen.Agenten geben Proben typischerweise über Abstrichtupfer ab.Ein positiver Messwert löst eine weitere Untersuchung aus, in der Regel eine physische Durchsuchung.Der kompakte DART-QDa mit dem thermischen Desorber bietet das Potenzial, eine schnelle Möglichkeit zur Bestätigung des Vorhandenseins gefährlicher Chemikalien in Proben bereitzustellen, die bei Routineuntersuchungen mit nicht-MS-basierten Geräten zur Bedrohungserkennung wie NIR, Raman und IMS entdeckt wurden.
Laut Musselman sei das DART-QDa-Instrument nicht als tragbares System konzipiert.Aufgrund seiner Stellfläche, der Tatsache, dass für die Probenvorbereitung und -trennung keine Lösungsmittel erforderlich sind, und seiner Fähigkeit, Stickstoff als ionisierendes Gas zu verwenden, eignet es sich besser für eine mobile Laborumgebung.
Aufgrund der begrenzten Probenmenge und potenzieller Beiträge aus der Umgebung ist die Analyse nach der Explosion schwieriger als die Erkennung nicht explodierter Materialien.„Darin liegt die größte Herausforderung der forensischen Analyse von Sprengstoffen“, sagt Adam B. Hall, PhD, Direktor der Massenspektrometrie-Einrichtung an der Northeastern University (Boston, MA).Auch die Bedingungen nach der Explosion machen die Analyse komplexer.
Kenntnisse über den Tatort, das Sammeln von Vergleichsmaterialien und die Verwendung von Standards erhöhen die Wahrscheinlichkeit einer erfolgreichen Entdeckung oder Identifizierung nicht explodierter Materialien.
Energetische Verbindungen haben in der Regel ein niedriges Molekulargewicht von unter 500 amu, wodurch sie für die GC- oder LC-Analyse und den anschließenden MS-Nachweis durch chemische Ionisierung, Elektrospray-Ionisierung und Elektronenstoß geeignet sind.MS-Methoden umfassen häufig Gas- oder Flüssigkeitschromatographie.
Hall, der gemeinsam mit Brian Musselman Artikel über DART verfasst hat, glaubt, dass die derzeit auf Flughäfen eingesetzte Technologie zur Bombenerkennung veraltet ist.„MS-basierte Plattformen wären ein großer Fortschritt.“DART ist in einigen bundesstaatlichen forensischen Einrichtungen und einigen staatlichen Labors im Einsatz, ist jedoch in kommunalen Kriminallabors, der Flughafensicherheit oder dem Grenzschutz noch nicht weit verbreitet.
„Die Forensik ist im Vergleich zu anderen Analysebereichen tendenziell ein Spätanwender neuer Technologien.“
Der Vorteil von DART ist die Geschwindigkeit.Der Nachteil besteht darin, dass die Spektren bei einigen Probentypen aufgrund des Fehlens eines chromatographischen Frontends tendenziell komplexer sind.
„Ich habe verschiedene Berichte darüber gelesen, ob DART besser für Screening- oder Bestätigungsanalysen geeignet ist“, sagt Hall.„Oft kommt es darauf an, welche Art von Massenspektrometer man verwendet.Wenn Sie Fragmentierung und/oder hochauflösende Massenbestimmungen durchführen können, verfügen Sie über eine größere Bestätigungsfähigkeit.Andererseits bieten traditionellere GC- und LC-Frontends eine Retentionszeit, die anhand bekannter Standards bewertet werden kann.“
Mehrere Unternehmen verkaufen MS-Systeme in Aktentaschengröße, aber obwohl sie preislich (und leistungsmäßig) am unteren Ende liegen, bleiben die Kosten für einige Sicherheitsanwendungen ein Problem.Kleinere Einheiten sind in der Regel einfachere Quadrupole oder Ionenfallen.
Trotz der nicht gerade hervorragenden Bewertung von IMS durch MS-Befürworter ist die Technologie noch lange nicht veraltet.Tom Chand, Vertriebsleiter bei Real Sensors (Santa Ana, Kalifornien), behauptet, dass IMS gesund und munter ist.
Er erwähnt den technologischen Stammbaum von Detektoren (General Electric) und die im Laufe der Jahre umgesetzten technologischen Verbesserungen, die zu bis zu 40.000 Einsätzen von IMS-Systemen weltweit geführt haben.Real Sensors stellt Gaspermeationsrohre für IMS-Instrumente her, die auf Flughäfen eingesetzt werden.IMS funktioniert durch die Trennung gasförmiger Ionen basierend auf ihrer Mobilität in einem elektrischen Feld.
„Frühe Implementierungen erforderten zwei verschiedene Instrumente zur Erkennung von Betäubungsmitteln und Sprengstoffen“, sagt Chand.Das Problem bestand darin, dass IMS-Systeme nur kurzlebige Permeationsröhren verwenden konnten, die entweder positiv oder negativ geladene Dotierstoffe enthielten.„Außerdem waren Permeationsrohre nur von kurzer Dauer und mussten ständig ausgetauscht werden“, fügt Chand hinzu.
„Außerdem verwendete der IMS-Detektor radioaktive Materialien, was den Verkauf in einigen Ländern erschwerte.“Neuere Modelle von Smiths Detection (Newark, CA) können langlebige Röhren beider Dotierstofftypen tragen und nicht radioaktive Detektoren verwenden.
Die Isotopenverhältnis-Massenspektrometrie (IRMS), eine wenig genutzte forensische Methode, basiert auf der natürlichen Verteilung gemeinsamer stabiler Isotope in verschiedenen Teilen der Welt oder aus verschiedenen Quellen.Daher unterscheidet sich das 13C/12C-Verhältnis von Olivenöl aus der Türkei vom Verhältnis von Olivenöl aus der Toskana.Ebenso können Isotopenverhältnisse eine elementare Signatur für die Herkunft von Bombenmaterial liefern.
In einer Arbeit aus dem Jahr 2014 analysierten Wissenschaftler von IsoForensics (Salt Lake City, UT), das auf IRMS spezialisiert ist, die Kohlenstoff- und Stickstoffisotopenverhältnisse von PETN (Pentaerythritoltetranitrat), einem extrem starken Plastiksprengstoff.Sie zeigten, dass IRMS PETN auf eine Weise eindeutig identifizieren konnte, die HPLC nicht konnte.Die Genauigkeitsgrenzen für die Messung einzelner Proben lagen bei 0,3 % für Kohlenstoff und 0,4 % für Stickstoff.
„Dadurch wird eine grundlegende Unterscheidungskraft etabliert, die nicht auf dem Niveau moderner DNA-Analysen zur Individualisierung liegt, aber sicherlich besser ist als die Analyse der chemischen Häufigkeit von Sprengstoffen“, sagt John Howa, Chemiker bei IsoForensics.Die Analyse stabiler Isotopenverhältnisse für Wasserstoff und Sauerstoff könnte unsere Fähigkeit verbessern, Sprengstoffquellen zu unterscheiden.
Laut Howa erfordert ein wahrscheinlichkeitsbasierter Quelle-zu-Quelle-Vergleich, ähnlich wie DNA zur Individualisierung verwendet wird, nicht nur die Fähigkeit, zwei Proben aus unterschiedlichen Quellen zu unterscheiden, sondern auch eine Bewertung, ob die Proben dies taten oder nicht nicht, stammten aus derselben Quelle.„Dies erfordert ein Verständnis der Hintergrundvariation und die richtige Auswahl der Kontrollproben.Es ist ein großer Aufwand erforderlich, Proben bekannter Herkunft zu sammeln und zu analysieren, um einen probabilistischen Wert, beispielsweise ein Wahrscheinlichkeitsverhältnis, für die Bewertung explosiver Beweise bereitzustellen.“
Darüber hinaus ist die Vorhersage der geografischen Herkunft anhand der Isotopenverhältnisse bei Sprengstoffen weniger einfach als beispielsweise bei Lebensmitteln.
Die zur Herstellung von Sprengstoffen verwendeten Rohstoffe und Füllstoffe stammen oft von vielen Orten.„Ein besseres Verständnis dieser Netzwerke sowie ein prozessbasiertes Modell zur Beziehung der Isotopenverhältnisse eines Sprengstoffs zu seinen Vorläufern könnten die Zuverlässigkeit der Technik zur Vorhersage der Herkunft von Sprengstoffen weiter erhöhen“, fügt Howa hinzu.
IRMS einzelner Sprengstoffkomponenten, wie etwa des hochexplosiven Militärs RDX (Royal Demolition eXplosive), können eine Verbindung zwischen zwei Detonationen an verschiedenen Orten herstellen – vorausgesetzt, die ursprünglichen chemischen Signaturen bleiben während oder nach der Detonation unverändert.Dies erfordert die Reinigung der chemischen Komponente, um sicherzustellen, dass das gemessene Isotopenverhältnis mit dem Sprengstoff und nicht mit anderen Materialien in Verbindung steht, die mit der/den Bombe(n) oder umgebenden Materialien in Zusammenhang stehen.Wie sich die Isotopensignaturen während der Detonation ändern, wurde nicht gut untersucht, obwohl einige Gruppen Isotopenverhältnisse im Ruß nach der Explosion untersucht haben.
Tatsächlich können Kohlenstoff- und Wasserstoffisotopenverhältnisse nicht explosiver Bombenkomponenten (z. B. Weichmacher und Bindemittel) zur Unterscheidung nicht explodierter Sprengstoffproben verwendet werden, wenn die Analyse des tatsächlichen Sprengstoffs dies nicht kann.
„Die Isotopenverhältnisanalyse von Sprengstoffen ist nur ein kleiner Teil der Sprengstoff- und Postexplosionsforensik“, sagt Howa.„Eine interessante Nutzung von Isotopenverhältnissen erfolgt bei der Sanierung von Land, das durch Sprengstoffrückstände kontaminiert ist.Im Zusammenhang mit der möglichen Verwendung von Isotopenverhältnissen für die Bombenforensik stehen Isotopenverhältnisuntersuchungen von Klebstoffen (Klebeband), Kunststoff, Metallen oder anderen Materialien, die zur Herstellung einer Bombe verwendet werden.