Hält eine Polizeistreife heute einen auffälligen Autolenker an, muss er für einen Alkoholtest ins berühmte Röhrchen pusten. Doch wenn der Fahrer unter Verdacht steht, verbotene Drogen wie Kokain konsumiert zu haben, müssen die Fahnder einen komplizierten und aufwendigen Labortest anordnen, um quantitative Resultate zu erhalten. Abhilfe könnte da ein neuer Ansatz schaffen. ETH-Forscher um Physikprofessor Markus Sigrist entwickeln derzeit einen Detektor, mit dem Drogen wie Kokain im Speichel sofort nachgewiesen werden können. «Unsere Arbeit ist die Grundlage für ein handliches Gerät, das Vollzugsbehörden „im Feld“ brauchen können», sagt Markus Sigrist.

Diese Grundlage für einen solchen Drogenschnellnachweis wurde soeben in der Fachzeitschrift «Drug Testing and Analysis» vorgestellt.

Wenige Mikrogramm genügen

Mithilfe der sogenannten ATR-Infrarotspektroskopie ist es den Forschern gelungen, Kokain und verschiedene seiner Stoffwechselprodukte im Speichel zuverlässig und bis zu einer Grenze von derzeit unter 10 Mikrogramm Kokain pro Milliliter Speichel nachzuweisen. Dies ist zwar im Vergleich mit Standard-Methoden von toxikologischen Labors noch etwas grob, denn diese können die Droge bis zu einer Grenze von 1 bis 5 Nanogramm pro Milliliter Speichel aufspüren. Die Proben müssen dazu aber aufwendig aufbereitet werden, und die Apparaturen sind nicht transportierbar. Anders die ATR-IR-Methode: Sie ist nicht-invasiv, Speichel kann leicht gewonnen und mit wenig Aufbereitung verwendet werden.

Um Konsumenten von verbotenen Drogen unmittelbar nach dem Konsum dingfest zu machen, ist die mit ATR-IR erreichte Nachweisgrenze bereits fein genug. Raucht beispielsweise jemand Kokain, können kurze Zeit später im Speichel noch immer bis zu 500 Mikrogramm pro Milliliter vorhanden sein.

Kokain und Koffein nicht verwechseln

Erster wichtiger Schritt für die ETH-Physiker war, herauszufinden, welche Wellenlängen Kokain und seine Stoffwechselprodukte absorbieren. Dazu ermittelten sie die Spektren, welche charakteristisch und eindeutig für diese Substanzen sind.

Zudem mussten die Physiker auch Spektren von anderen Stoffen bestimmen, um sicher zu gehen, dass das Kokainspektrum nicht von Spektren anderer Substanzen, die ebenfalls im Speichel vorhanden sein könnten, überlagert wird. So untersuchten sie Koffein, Streckmittel, mit dem Kokain verdünnt wird, Mundspülung, Energy- und Softdrinks sowie Schmerztabletten. Ein besonderes Augenmerk richteten die Forscher auf Alkohol. Das Resultat dieser Detektivarbeit: Das Kokain-Spektrum hinterlässt eindeutige Spuren. Die Substanz und ihre Stoffwechselprodukte absorbieren in einem Wellenlängenbereich von 5,55 bis 5,84 Mikrometern.

Weil aber Wasser im Speichel das Infrarotlicht stark absorbiert, extrahieren die Forscher das Kokain erst mit einem wasserabstossenden Lösungsmittel, welches dann auf der Testapparatur verdunstet.

Feinere Detektoren, besseres Licht

Mittlerweile sind Markus Sigrist und seine Mitarbeitenden daran, das Verfahren weiter zu verfeinern und zu vereinfachen. So haben sie begonnen, Kokain nach der Extraktion ins Lösungsmittel auch direkt in der Flüssigphase zu messen. Weiter will der Physikprofessor die Nachweisgrenze stark senken. Er hält es für möglich, mit der Infrarotspektroskopie-Methode Mengen von 20 Nanogramm pro Milliliter Flüssigkeit nachzuweisen.

Dazu brauchen die Forscher neben feineren Detektoren, die zehnmal empfindlicher sind, auch eine neue Lichtquelle, und zwar einen sogenannten Quantenkaskadenlaser. Dieser Laser kann Infrarot-Licht in einem schmalen Spektralband, das um eine mittlere Wellenlänge zwischen vier und 15 Mikrometern liegt, erzeugen. «Für die Spektroskopie ist dieser Bereich interessant», weiss Sigrist. Erste Versuche mit dieser Lichtquelle seien positiv verlaufen.

Den Drogentest auf andere Rauschgifte auszuweiten, wäre ebenfalls möglich. So könnten die Forscher auch Heroin nachweisen.

Ein marktreifes Produkt, ein handliches Gerät für Vollzugsbeamte beispielsweise, werden Markus Sigrist und seine Gruppe jedoch nicht entwickeln. «Wir liefern die Grundlagen und eine Sensor-Plattform dafür. Die Umsetzung wäre die Aufgabe eines Industriepartners», sagt der ETH-Professor.

Die Detektion von Kokain im Speichel mit Infrarot ist ein Teilprojekt von «IrSens», das im Rahmen der gesamtschweizerischen Forschungsinitiative «nano.tera» durchgeführt wird. An diesem Teilprojekt beteiligt sind neben Sigrists Gruppe auch die Forschungsgruppe um ETH-Professor Jérôme Faist, die den Quantenkaskadenlaser entwickelte, sowie weitere Gruppen, unter anderem Detektorspezialisten der Universität Neuenburg.

ATR-Infrarotspektroskopie

Basis der Messmethode ist die ATR-Infrarotspektroskopie (IR-ATR). ATR steht für «attenuated total reflection», auf Deutsch «abgeschwächte Totalreflexion». Diese Probentechnik wurde 1960 entwickelt und dient der Untersuchung von Oberflächen von undurchsichtigen Stoffen wie Lacken oder Polymerfolien. Sie lässt sich aber auch für die Analyse von flüssigen Proben einsetzen.
Bei der IR-ATR wird ein Infrarot-Lichtstrahl in einem bestimmten Winkel in einen Kristall geleitet. Der Strahl wird an den beiden Oberflächen reflektiert. Dadurch durchquert der Lichtstrahl in einer Zickzack-Linie den ganzen Kristall. Am Ende tritt der Strahl aus dem Kristall aus. Auf der Oberseite des Kristalls werden nun die zu analysierenden Stoffe in einer hauchdünnen Schicht aufgebracht. Sie absorbieren einen Teil des reflektierten Infrarotlichts. Diese absorbierten Wellenlängen fehlen schliesslich beim Austritt des Lichtstrahls aus dem Kristall, was die Forscher messen können.

Literaturhinweis

Hans KMC, Müller S & Sigrist MW. Infrared attenuated total reflection (IR-ATR) spectroscopy for detecting drugs in human saliva. Drug Testing and Analysis (2011), published online, doi: 10.1002/dta.346