zur Erlangung des akademischen Grades d o c t o r r e r u m n a t u r a l i u m
(Dr. rer. nat.) im Fach Chemie eingereicht an der
Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät I der Humboldt-Universität zu Berlin
von
Dipl.-Biochem. M. Astrid Walter
Präsident der Humboldt-Universität zu Berlin Prof. Dr. Jan-Hendrik Olbertz
Dekan der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät I Prof. Stefan Hecht, Ph.D.
Gutachter: 1. Prof. Dr. Ulrich Panne 2. PD Dr. Michael G. Weller
Tag der mündlichen Prüfung: 30. Januar 2014
Die vorliegende Arbeit wurde im Zeitraum von November 2007 bis April 2011 im Arbeitskreis von Prof. Dr. Ulrich Panne, Institut für Chemie, Humboldt-Universität zu Berlin, durchgeführt.
“Meiner Beobachtung nach neigen die Leute dazu zurückzuschlagen, wenn man sie haut…”
Charlie Brown (Charles M. Schulz, Peanuts)
Die vorliegende Arbeit beschreibt die Herstellung und Charakterisierung der ers- ten Antikörper gegen Triacetontriperoxid (TATP), einem hoch empfindlichen und unkonventionellen (nicht-kommerziellen) Initialsprengstoff. Entscheidend dafür war die Synthese eines TATP-imitierenden Haptens, welches die typische nona- gonale Struktur des TATP mit seinen drei Peroxid- und sechs Methylgruppen nahezu perfekt nachbildet, aber den Vorzug einer zusätzlichen Carboxygruppe zur kovalenten Kopplung an Proteine aufweist. Dadurch konnte das TATP- Hapten an Rinderserumalbumin (BSA) gebunden werden, um ein immunogenes Konjugat zu erzeugen, welches die erfolgreiche Immunisierung zweier Säuge- tierarten, Maus und Kaninchen, ermöglichte.
Der Verlauf der In-vivo-Immunisierungen wurde durch die Analyse der Tier- seren in regelmäßigen Abständen mittels enzymgekoppeltem Immunoassay (ELISA) verfolgt. Die polyklonalen Antikörper beider Spezies waren ungewöhnlich selektiv gegenüber TATP. Jedoch unterschied sich die Affinität der Antikörper der zwei Spezies um das 5 000-fache, wobei die Kaninchenseren den Mausseren überlegen waren. Entsprechend war auch die mit Kaninchenserum erreichbare TATP-Nachweisgrenze von 0.01 µg L-1 deutlich besser im Vergleich zu 50 µg L-1, die mit Mausserum erzielt wurden. Der Messbereich des TATP-ELISA mit Kanin- chenserum deckte zudem mehr als vier Zehnerpotenzen ab, wie mittels Präzisi- onsprofil bestimmt wurde.
Die erhaltenen TATP-Antikörper aus Kaninchen stehen damit Anwendungen in Nachweissystemen für die sehr empfindliche Detektion von TATP zur Verfügung, die u. a. in sicherheitsrelevanten Bereichen zum Einsatz kommen könnten. Als erste Anwendung wurde ein TATP-ELISA realisiert, der im Rahmen dieser Arbeit ausführlich optimiert wurde. Außerdem wurden erste Schritte zur Entwicklung eines TATP-Schnelltests (LFA) unternommen. Weitere Biosensoren auf Grundla- ge der neu entwickelten TATP-Antikörper sind denkbar.
The present work decribes the production and characterization of the first anti- bodies against triacetone triperoxide (TATP), a highly sensitive and improvised (non-commercial) primary explosive. Crucial to this work was the synthesis of a TATP-related hapten that mimics almost perfectly the typical nonagonal structure of TATP with its three peroxide and six methyl groups. Advantageously, it has an additional carboxylic acid group, which provides a conjugation site for covalent attachment to proteins. Thus, the TATP hapten could be linked to bovine serum albumin (BSA) to produce an immunogenic conjugate, allowing the successful immunization of two different mammalian species, mouse and rabbit.
The in vivo immunization progress was followed by periodically analyzing the animals’ sera using enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA). The polyclo- nal antibodies of both species were remarkably selective to TATP. The affinity of these TATP-antibodies was, however, different between the two species, with the rabbit sera showing an affinity about 5 000-fold superior than the murine one.
Consequently, the TATP detection limit of 0.01 µg L-1 was considerably better using the sera from rabbit in contrast to 50 µg L-1 when mouse serum was used.
The working range of the TATP-ELISA with rabbit sera covers more than four decades, calculated from a precision profile.
The obtained TATP antibodies from rabbit are now available for applications in highly sensitive detection systems for TATP, which could be employed, among others, in security-relevant areas. The first application was the realization of a TATP-ELISA, which was extensively optimized within the course of this work.
Furthermore, the first steps towards the development of a lateral flow assay (LFA) targeting TATP were taken, making conceivable further biosensor plat- forms based on the newly developed TATP antibodies.
Diese Arbeit konnte nur durch die vielfältige Hilfe vieler Kolleginnen und Kollegen und Freunde gelingen, wofür ich mich aufrichtig bei allen Beteiligten bedanke.
Neben viel Mühe und Zeit, die eine Promotion im Labor und am Schreibtisch er- fordert, hatte ich viel Freude und Spaß und habe sehr gern in der Fachgruppe Bioanalytik gearbeitet. Ein Dankeschön auch an alle nicht namentlich genannten Kolleginnen und Kollegen für die gute Zusammenarbeit.
Mein Dank gilt an erster Stelle Dr. Michael G. Weller für das Vertrauen (beim Überlassen des spannenden Themas) und die fachliche Unterstützung sowie die Zeit und den immer währenden Zuspruch, die er stets für mich erübrigt hat. Ich danke der BAM Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung, insbesondere Prof. Dr. Ulrich Panne, für die Möglichkeit, meine Doktorarbeit dort anzufertigen und ihre Begutachtung zu übernehmen. Bei Dr. Rudolf J. Schneider bedanke ich mich vor allem für die organisatorische Hilfe, insbesondere rund um die erste Immunisierung der Mäuse, jedoch auch für jeglichen fachlichen Beistand seiner- seits weit darüber hinaus.
Bei Karin Schultze bedanke ich mich herzlich für die sorgfältige Durchführung und Auswertung der GC-MS-Versuche und bei Dr. Andreas Lehmann für die Entwicklung der grundlegenden HPLC-Methode mittels HPLC-MS sowie für das aufmerksame und kritische Hinterfragen meiner Vorhaben.
Ich danke Sabine Flemig für die MALDI-TOF-MS-Messungen, Kristin Petsch für das Mitwirken und die Ausdauer bei den Untersuchungen der Hybridomzell- kulturen und Nadine Scheel für die vielen Tage, die sie für mich an der HPLC verbracht hat. Diesen dreien danke ich überdies besonders für die Erleichterung und zuverlässige Hilfe im Laboralltag, die, neben dem Übernehmen von Bestel- lungen von Chemikalien und Verbrauchsmaterialien, der Aufrechterhaltung der Laborordnung und vielem mehr, auch gern mal spontan nötig und ermöglicht wurde.
Für die Messung und Auswertung der NMR-Daten sowie für die äußerst gedul- dige Erklärung dieser bin ich Dr. Dietmar Pfeifer sehr dankbar. Werner Kraus danke ich für die Einkristallstrukturanalysen und der in diesem Zusammenhang sehr angenehmen Zusammenarbeit mit Dr. Franziska Emmerling, deren Unter- stützung bei meiner ersten Veröffentlichung unverzichtbar war. Für die Aufnahme des hochaufgelösten Massenspektrums danke ich Dr. Michael von Löwis (Hum- boldt-Universität zu Berlin).
Vielen Dank an meine Praktikanten und den Auszubildenden bzw. studenti- schen Hilfskräften der Arbeitsgruppe Immunchemische Methoden, Steffen Ramin, Susi Plötz, Anne Möller, Denise Thurmann, und André Grasnick für Ihr Engagement und die endlosen ELISA, die ich allein nie geschafft hätte, sowie für die wöchentliche Pufferherstellung und vielen weiteren Tätigkeiten, die sie mir abgenommen haben.
Nicht zu vergessen ist die Solidarität der Mit-Doktoranden, deren Kooperation sich nicht nur auf den Schokoladen-Austausch begrenzte. Ich danke Dr. José João Carvalho, Dr. Arnold Bahlmann, Dr. Charlotte Giesen, Dr. Julia Grandke, Mandy Hecht, Steffen Ramin und Heike Pecher für eine schöne, gemeinsame Zeit und illustre Mensa-Runden, denen auch Dr. Ana Descalzo López und Dr. Knut Rurack angehörten. Das Mitteilen von Erfahrungen und Ratschlägen sowie die Diskussion von Ideen und Ergebnissen sind ein entscheidender Vorteil für die gegenseitige Motivation und das Vorankommen der Arbeit gewesen.
Ein Dankeschön geht ebenfalls an Anka Kohl für die immer schnelle IT- Betreuung und technische Hilfe. Weiterhin danke ich den Sekretariatsdamen, insbesondere Christin Heinrich und Juliane Schaefer, die stets gut gelaunt und hilfsbereit für alle nicht wissenschaftlichen Probleme und Fragen ansprechbar waren.
Meinen neuen Kollegen in der 2.3, vor allem Dr. Alexander von Oertzen danke ich dafür, dass sie mir auf den letzten Metern zur Promotion verständnisvoll den Rücken freigehalten haben.
Sehr dankbar bin ich außerdem allen, die diese Arbeit Korrektur gelesen ha- ben, vor allem Dr. Michael G. Weller, meiner Mutter, Dr. Julia Grandke und ins- besondere Dr. Malte Behrends.
Ich danke auch meinen Freunden außerhalb der BAM, darunter insbesondere Heike, José, Julia, Nicole, Peter und Simone für ermutigende, verständnisvolle Worte und erholsame Ablenkungsmanöver zum Teil schon seit der Studienzeit und noch weit davor. Allen voran aber Tine, der besten Beste-Freundin, die man sich vorstellen kann. Außerdem danke ich meinen Eltern und meiner Schwester Annemarie, auf deren Rückhalt ich mich immer verlassen kann und die mich bei allen Entscheidungen unterstützen, sowie meinem Großvater, der anhaltend Inte- resse an meiner wissenschaftlichen Arbeit zeigt.
Vielen herzlichen Dank Ihnen/Euch allen!
Astrid
Kurzzusammenfassung ... V Abstract ... VII Danksagung ... IX Inhaltsverzeichnis ... XI Abkürzungsverzeichnis und Glossar ... XIII Verzeichnis der Tabellen und Abbildungen ... XVII
1 Einleitung ... 1
2 Grundlagen ... 7
2.1 Triacetontriperoxid ... 7
2.1.1 TATP – Ein Überblick ... 7
2.1.2 TATP-Analytik ... 14
2.2 Gewinnung von Antikörpern ... 18
2.2.1 Haptene ... 18
2.2.2 Antikörper ... 19
2.2.3 Immunisierung ... 21
2.2.4 Alternativen ... 24
2.3 Antikörper-basierte Nachweissysteme (Immunoassays) ... 26
2.3.1 Enzymgekoppelter Immunoassay (ELISA) ... 26
2.3.2 Immunchromatographischer Schnelltest (LFA) ... 30
2.3.3 Biosensoren ... 31
2.3.4 Möglichkeit des Nachweises aus der Gasphase ... 32
3 Experimenteller Teil ... 35
3.1 Materialien ... 35
3.1.1 Chemikalien ... 35
3.1.2 Proteine ... 38
3.1.3 Puffer und Lösungen ... 39
3.1.4 Verbrauchsmaterial ... 41
3.1.5 Geräte ... 43
3.1.6 Computerprogramme ... 45
3.2 Sicherheitshinweis ... 46
3.3 Methoden ... 46
3.3.1 TATP-Synthese und weiterführende Untersuchungen ... 46
3.3.2 Synthese des TATP-Haptens ... 50
3.3.3 Herstellung von Immunogenen und anderen TATP-
Proteinkonjugaten ... 51
3.3.4 Immunisierungen ... 58
3.3.5 Enzymgekoppelter Immunoassay (ELISA) ... 61
3.3.6 Immunchromatographischer Schnelltest (LFA)... 70
4 Ergebnisse und Diskussion ... 73
4.1 Untersuchungen zu Triacetontriperoxid (TATP) ... 73
4.2 TATP-Hapten ... 80
4.3 Immunogene und andere Proteinkonjugate ... 84
4.4 Immunisierungsverlauf ... 88
4.5 Untersuchung von Faeces ... 98
4.6 Analytische Kenndaten des TATP-ELISA ... 101
4.7 BSA-Zusatz und andere Optimierungen ... 114
4.8 Konformeren-ELISA ... 126
4.9 Lateral Flow Assay (LFA) ... 128
5 Zusammenfassung und Ausblick ... 135
6 Literaturverzeichnis ... 139
Publikationen ... i
Erklärungen ... iii
ABTS 2,2′-Azino-di(3-ethylbenzthiazolin)-6-sulfonat
ANFO Ammonium nitrate fuel oil (Gemisch aus porösem Ammoni- umnitrat mit Diesel- oder Mineralöl)
APCI Atmospheric pressure chemical ionization (Chemische Ionisa- tion bei Atmosphärendruck)
ax axial
BALB/c Bagg Albino (spezielle Mäuse-Inzuchtlinie) Boost Nachimmunisierung
BSA Bovine serum albumin (Rinderserumalbumin)
CAS Chemical Abstracts Service (Datenbankdienst, vergibt die CAS-Nummern)
CCDC Cambridge Crystallographic Data Centre (Datenbank für Kris- tallstruktur kleiner Moleküle)
CMC Critical micelle concentration (Kritische Mizellbildungskonzent- ration)
COSY Correlation spectroscopy (Korrelationsspektroskopie), NMR
cycl zyklisch
D Deuterierungsgrad, NMR
DAD Diodenarraydetektor
DADP Diacetondiperoxid
DCC N,N′-Dicyclohexylcarbodiimid DMF N,N-Dimethylformamid DMNB 2,3-Dimethyl-2,3-dinitrobutan DMSO Dimethylsulfoxid
DNA Deoxyribonucleic acid (Desoxyribonukleinsäure) DSC N,N′-Disuccinimidylcarbonat
EC Enzyme Commission numbers (EC-Nummern, numerisches Klassifikationssystem für Enzyme nach der zu katalysierenden Reaktion)
EGDN Ethylenglykoldinitrat (Nitroglykol, 1,2-Dinitroxyethan)
ELISA Enzyme-linked immunosorbent assay (enzymgekoppelter Im- munoassay)
EPA United States Environmental Protection Agency (Umwelt- schutzbehörde der USA)
eq Equatorial (äquatorial)
ESEM Environmental scanning electron microscope (Variante des Rasterelektronenmikroskops)
ESI Elektrospray-Ionisation
Fc oder F(c) Crystallizable (constant) fragment (kristallisierbarer Teil eines Antikörpers, beinhaltet auch den Großteil der konstanten Do- mänen der beiden schweren Polypeptidketten)
FT-ICR-MS Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry (Fouriertransformations-Ionenzyklotronresonanz-Massenspek- trometrie)
GC-MS Gaschromatographie mit Massenspektrometrie-Kopplung H&L Heavy & light chains (Bezeichnung der Polypeptidketten, von
denen je zwei schwere und zwei leichte die Antikörpergrund- struktur bilden)
Hapten niedermolekulare Verbindung, < 1 500 – 5 000 Da, die ohne Bindung an einen Trägermolekül selbst nicht immunogen wirkt HAT Hypoxanthin, Aminopterin, Thymidin (im danach benannten
Selektionsmedium für Hybridomzellen enthalten) hCG humanes Choriongonadotropin, ein Peptidhormon
HGPRT Hypoxanthin-Guanin-Phosphoribosyltransferase (Enzym im DNA-Stoffwechsel)
HMBC Heteronuclear multiple bond coherence (heteronukleare Mehr- fachbindungskohärenz), NMR
HME Homemade explosives (nicht-kommerzielle Explosivstoffe, zumeist aus leicht zugänglichen Chemikalien ohne besondere Ausrüstung oder Fachwissen herstellbar)
HMTD Hexamethylentriperoxiddiamin (1,6-Diaza-3,4,8,9,12,13-hexa- oxabicyclo[4.4.4]tetradecan)
HMX High melting explosive/her Majesty's explosive/high-molecu- lar-weight RDX (Oktogen, 1,3,5,7-Tetranitro-1,3,5,7-tetrazo- can)
HPLC High performance liquid chromatography (Hochleistungsflüs- sigkeitschromatographie)
HRP Horseradish peroxidase (Meerrettich-Peroxidase)
HSQC Heteronuclear single quantum coherence (heteronukleare Einquantenkohärenz), NMR
IC50 Half maximal inhibitory concentration (mittlere inhibitorische Konzentration)
IED Improvised explosive device (unkonventionelle Spreng- und Brandvorrichtung)
IgA Immunglobulin A, eine Klasse von Antikörpern, Hauptvertreter auf Schleimhäuten, in Speichel sowie Tränen
IgG Immunglobulin G, eine Klasse von Antikörpern, die etwa 75%
aller Serumimmunglobuline ausmacht
IgM Immunglobulin M, eine Klasse von Antikörpern, die entschei- dend bei der primären Immunantwort ist
IMS Ionen-Mobilitäts-Spektrometrie
K Kaninchen
KR Kreuzreaktivität
LFA Lateral flow assay (immunchromatographischer Schnelltest)
Lsg. Lösung
M Maus
MALDI-TOF-MS Matrix-assisted laser desorption/ionization time-of-flight mass spectrometry (Matrix-unterstützte Laser-Desorption/Ionisation- Flugzeitmassenspektrometrie)
MIP Molecularly imprinted polymer (molekular geprägtes Polymer)
NHS N-Hydroxysuccinimid
NIST National Institute of Standards and Technology (Bundesbe- hörde der Vereinigten Staaten mit Sitz in Gaithersburg, MD, USA, die u. a. eine Datenbank für Massenspektren unterhält) NMR Nuclear magnetic resonance spectroscopy (Kernspinreso-
nanzspektroskopie)
OD Optical density (sinngemäß: Extinktion) OVA Ovalbumin (aus Hühnereiweiß)
PBS Phosphate-buffered saline (phosphatgepufferte Salzlösung) PETN Pentaerythrityltetranitrat (auch Nitropenta oder Pentrit,
1,3-Bis(nitryloxy)-2,2-bis(nitryloxy-methyl)-propan)
Protein A Protein aus der Zellwand von Staphylococcus aureus, bindet bevorzugt IgG
PTV Programmable temperature vaporizer (temperaturprogram- mierbarer Verdampfer, Injektortyp bei der GC-MS)
q quartär
RDX Research department explosive/royal demolition explosive (Hexogen, 1,3,5-Trinitro-1,3,5-triazin)
RNA Ribonucleic acid (Ribonukleinsäure)
rpm Revolutions per minute (Umdrehungen pro Minute)
RPMI Roswell Park Memorial Institute (das danach benannte Zell- kulturmedium wurde dort entwickelt)
RT Raumtemperatur
SAW Surface acoustic wave (akustische Oberflächenwelle)
scFv Single-chain variable fragment (monovalentes Antikörper- fragment aus den kovalent verbundenen, variablen Domänen einer schwere und einer leichten Polypeptidkette eines Anti- körpers)
SELEX Systematic evolution of ligands by exponential enrichment (Systematische Evolution von Liganden durch exponentielle Anreicherung)
SIM Selected ion monitoring (ausgewählte Massen, die bei der GC-MS registriert werden, Einzelmassen-Registrierung) SPME Solid phase microextraction (Festphasenmikroextraktion) SPR Surface plasmon resonance (Oberflächenplasmonenreso-
nanz)
TATP Triacetontriperoxid (trimeres Acetonperoxid oder APEX, Ace- tonperoxyd oder TCAP, Tricycloacetonperoxid, 3,3,6,6,9,9- Hexamethyl-1,2,4,5,7,8-hexaoxonan)
TFA Trifluoroacetic acid (Trifluoressigsäure)
THF Tetrahydrofuran
Titer semiquantitatives Maß für die Konzentration einer Antikörper- präparation (Maß für die spezifische Antikörperkonzentration) TMB 3,3′,5,5′-Tetramethylbenzidin
TNT 2,4,6-Trinitrotoluol (2-Methyl-1,3,5-trinitrobenzol) UV ultraviolette Strahlung
anti
-IgG sekundärer Antikörper: Antikörper gegen andere Antikörper (Immunglobuline G)
Tabellen
Tabelle 2.1: Kenndaten und Eigenschaften von TNT und TATP. ... 8 Tabelle 2.2: Nachweisgrenzen von TATP. ... 14 Tabelle 3.1: Synthetisierte Proteinkonjugate. ... 52 Tabelle 3.2: Eingesetzte Mengen der Ausgangsstoffe zur Synthese der
Proteinkonjugate mit der NHS-Ester-Methode. ... 54 Tabelle 3.3: Zeitplan der Mausimmunisierung. ... 58 Tabelle 3.4: Zeitplan der Kaninchenimmunisierung. ... 60 Tabelle 3.5: Herstellung der Stammlösungen zur Bestimmung der
Kreuzreaktivität. ... 67 Tabelle 4.1: Konzentration und Kopplungsdichte der TATP-Proteinkonjugate. .. 86 Tabelle 4.2: Affinitätsreifung von Maus 3. ... 90 Tabelle 4.3: Zahlen zur Fusion von Maus-2- und -3-Milzzellen (Schätzungen). . 92 Tabelle 4.4: Affinitätsreifung von Kaninchen 1. ... 94 Tabelle 4.5: Affinitätsreifung von Kaninchen 2. ... 96 Tabelle 4.6: Nachweisgrenzen des TATP-ELISA mit Kaninchen- und Maus-3-
Seren. ... 101 Tabelle 4.7: Messbereich des TATP-ELISA mit Boost-11-Kaninchenseren. ... 103 Tabelle 4.8: Kreuzreaktivität des TATP-ELISA gegenüber ausgewählten
Explosivstoffen. ... 106 Tabelle 4.9: Kreuzreaktivität des TATP-ELISA gegenüber Strukturanaloga,
bezogen auf TATP. ... 107 Tabelle 4.10: Toleranz des TATP-ELISA gegenüber Lösungsmitteln und
Wasserstoffperoxid. ... 111 Tabelle 4.11: Einfluss von Methanol in TATP-Kalibrierlösungen auf den TATP-
ELISA. ... 112 Tabelle 4.12: Einfluss von BSA und Guardian-Stabilisator in HRP-Konjugat-1-
Verdünnungen auf den TATP-ELISA. ... 115 Tabelle 4.13: Einfluss der BSA-Menge in HRP-Konjugat-1-Verdünnungen auf
den TATP-ELISA. ... 116 Tabelle 4.14: Einfluss von BSA in Serum- und HRP-Konjugat-1-Verdünnungen
auf den TATP-ELISA. ... 116 Tabelle 4.15: Vergleich der hergestellten HRP-Konjugate im TATP-ELISA... 119 Tabelle 4.16: Vergleich von frischer und konservierter Plattenbeschichtung für
den TATP-ELISA. ... 123
Tabelle 4.17: Einfluss von Tween 20 in TATP-Kalibrierlösungen auf den TATP-
ELISA. ... 125
Tabelle 4.18: Einfluss der Inkubationstemperatur des Kompetitionsschritts auf den TATP-ELISA. ... 126
Abbildungen Abbildung 1.1: Kugel-Stab-Modell des TATP. ... 3
Abbildung 1.2: TATP (links) im Vergleich zu Haushaltszucker (Saccharose, rechts). ... 4
Abbildung 2.1: Reaktionsmechanismus der Darstellung von TATP und (in grau gehalten) DADP (nach [85]). ... 10
Abbildung 2.2: Die Konformere von TATP. ... 13
Abbildung 2.3: Schematische Darstellung eines Antikörpers (IgG). ... 19
Abbildung 2.4: Schema des direkten und indirekten TATP-ELISA. ... 29
Abbildung 3.1: Schematische Darstellung der TATP-Synthese. ... 47
Abbildung 3.2: Schematische Darstellung der TATP-Hapten-Synthese. ... 51
Abbildung 3.3: Schematische Darstellung der TATP-Proteinkonjugat-Synthese über die Gemischte-Anhydrid-Methode. ... 53
Abbildung 3.4: Schematische Darstellung der TATP-Proteinkonjugat-Synthese über die NHS-Ester-Methode. ... 55
Abbildung 3.5: Schematische Darstellung der HMTD-Synthese. ... 68
Abbildung 3.6: Schema des Aufbaus eines LFA-Teststreifens für TATP. ... 70
Abbildung 4.1: TATP-Kristall. ... 74
Abbildung 4.2: Kinetische Untersuchung der Umwandlung von C2- zu D3-TATP mittels HPLC. ... 77
Abbildung 4.3: Kugel-Stab-Modell des TATP-Haptens. ... 80
Abbildung 4.4: Chromatogramm zur Reinigung des TATP-Haptens per HPLC mittels binärem Gradienten aus Acetonitril/Methanol (10:1) und Wasser mit 0.1% (v/v) TFA aus dem bereits vorgereinigten Syntheseansatz. ... 82
Abbildung 4.5: Überlagerung der röntgenkristallographisch bestimmten Strukturen von TATP-Hapten (schwarz) und TATP (violett). ... 83
Abbildung 4.6: Reinigung der TATP-Proteinkonjugate über PD-10-Säulen mit photometrischer Kontrolle der Fraktionen und anschließender Proteinbestimmung (kleine Grafik) der vereinten Faktionen (violett) der am Beispiel des Immunogens 3. ... 85
Abbildung 4.7: MALDI-TOF-Massenspektren (Ausschnitte) ausgewählter TATP- Proteinkonjugate. ... 87
Abbildung 4.8: Entwicklungsverlauf des Serums von Maus 3 im ELISA während der Immunisierung. ... 89
Abbildung 4.9: Entwicklungsverlauf des Serums von Kaninchen 1 im ELISA während der Immunisierung. ... 94 Abbildung 4.10: Entwicklungsverlauf des Serums von Kaninchen 2 im ELISA
während der Immunisierung. ... 95 Abbildung 4.11: Nachweis von TATP-Antikörpern in Extraktionen von Maus-3-
Faeces. Obere Kurve: Boost-8-Serum; untere, parallel verlaufende Kurven:
Extraktionen... 99 Abbildung 4.12: Präzisionsprofil (violett) aus einer ELISA-Kurve (schwarz) mit
dem Serum von Kaninchen 1 (Boost 11). ... 102 Abbildung 4.13: Präzisionsprofil (violett) aus einer ELISA-Kurve (schwarz) mit
dem Serum von Kaninchen 2 (Boost 11). ... 103 Abbildung 4.14: Bestimmung der Kreuzreaktivität im ELISA mit Kaninchen-2-
Boost-7-Serum (Auswahl). ... 110 Abbildung 4.15: Einfluss von HRP und OVA auf den ELISA. ... 117 Abbildung 4.16: TATP-ELISA mit Kaninchenserum ohne -Kaninchen-IgG-
Beschichtung und mit Serumvorverdünnungen in unterschiedlichen
Medien. ... 122 Abbildung 4.17: TATP-Konformeren-ELISA im direkten Vergleich zum HPLC-
Chromatogramm. ... 127 Abbildung 4.18: ESEM-Aufnahmen vor und nach Anwendung der LFA-
Komponenten. ... 129 Abbildung 4.19: LFA für TATP mit Komponenten von Whatman (A) und Millipore
(B). ... 131 Abbildung 5.1: Kugel-Stab-Modell des TATP-Haptens. ... 135 Abbildung 5.2: Vergleich der Kaninchen- und Mausserum-ELISA-Kurven. ... 136
Viele große Entdeckungen und Erfindungen des Menschen haben zwei Seiten, insbesondere die Explosivstoffe. Sie wurden zunächst zu rein militärischen Zwe- cken entwickelt und verwendet [1] – ein Trend, der sich erst mit der Einführung des Dynamits, einem hauptsächlich zivil genutzten Explosivstoff, änderte [2, 3].
Das 1866 von Alfred Nobel entwickelte Gemisch aus Nitroglycerin und ursprüng- lich Kieselgur trieb den Berg- und Wegebau entscheidend voran. Durch diesen indirekt konstruktiven Nutzen förderte es daneben die industrielle Revolution [2].
Inzwischen schützen und retten Explosivstoffe beispielsweise in Airbags und als Medikamente, wie Nitroglycerin als Vasodilatator [4], viele Leben.
Das verbreitete Bedürfnis nach immer besseren Waffen führte ab 460-400 v. Chr. über antike Flammenwerfer und Brandmischungen, z. B. Grie- chisches Feuer, etwa um 1300 zum ersten Explosivstoff, dem Schwarzpulver, und letztlich auch zu den heute verwendeten Explosivstoffen [1]. Dieser Entwick- lungsprozess ist nachvollziehbar, denn zum großen Teil basieren heutige Explo- sivstoffe auf Verbrennungsvorgängen, die Sauerstoff, auch intramolekular, ver- brauchen. Die Entstehung der gasförmigen Verbrennungsprodukte, hauptsäch- lich Kohlenstoffdioxid, Wasserdampf, Kohlenstoffmonoxid, Stickstoff und Stick- oxide, verläuft dabei jedoch schlagartig. Dadurch nehmen die entstandenen Ga- se zunächst das Volumen des ursprünglichen Feststoffs ein, was in einem enor- men Druckanstieg in diesem Bereich resultiert. Bei der dann folgenden Ausdeh- nung leisten die Gase Volumenarbeit, welche den größten Teil des Zerstörungs- potenzials dieser hochenergetischen Materialien ausmacht. Diese hohe Reakti- onsgeschwindigkeit erhalten Explosivstoffe, weil der Sauerstoff nicht aus der um- gebenden Luft benötigt wird, sondern größtenteils in ihrem Molekül gebunden vorliegt. Chemisch sind konventionelle Explosivstoffe zumeist auf die Abkömm- linge der Salpetersäure in Form von anorganischen Nitraten, die zugleich als Dünger in großen Mengen eingesetzt werden, und von sogenannten Nitroverbin- dungen (aliphatische und aromatische Verbindungen, Nitramine) und auf Ester der Salpetersäure beschränkt [2, 3, 5]. Die meisten Explosivstoffe wurden zwi- schen der Mitte des 19. bis zum Anfang des 20. Jahrhunderts entwickelt. Danach wurden zumeist neue Formulierungen bekannter Explosivstoffe erprobt, die ver- mehrt auch Sicherheitsaspekte berücksichtigten, in dem die Explosivstoffe Poly- mer-gebunden und mit Plastifizierungsmitteln versetzt werden. So sind bis heute Hexogen (RDX, 1920-1940), Oktogen (HMX, 1943), Nitropenta (PETN, 1894), Ethylenglykoldinitrat (EGDN, 1870) und Trinitrotoluol (TNT, 1880) die meist ver- wendeten, militärischen Explosivstoffe (in Klammer: Entwicklungsjahre) [3]. Fast
alle gewerblich genutzten Explosivstoffe sind Mischungen von Ammoniumnitrat mit Brennstoffen (ANFO, ammonium nitrate fuel oil oder Emulsionen) [6].
Einhergehend mit dem Wettrüsten entstanden aber nicht nur neue Explosiv- stoffe und Waffen, sondern zugleich erhielten viele Bereiche neue Impulse, viel- leicht allen voran die Materialwissenschaften, die neue und bessere Materialien z. B. für Panzerungen und den Schutz der Bevölkerung hervorbrachten [2]. In- zwischen hat sich die Gefahrenlage verändert und aus Frontenkriegen sind heute globale Bedrohungen geworden. Als Inbegriff hierfür wird oftmals der 11. Sep- tember 2001 angesehen. Zusätzlich zu klassischer Abwehr oder Sanktionen für einzelne Staaten oder Bündnisse steht daher heute viel mehr die Prävention zum Schutz der Zivilbevölkerung im Vordergrund. Häufig geschieht dies durch die Überwachung von öffentlichen Plätzen und Verkehrsmitteln, wie es sich beson- ders an den Flughäfen weltweit bemerkbar macht. Dort wird gezielt nach explosi- onsgefährlichem Material gesucht und das verstärkt schon seit dem Lockerbie- Anschlag im Dezember 1988 [7, 8]. Infolgedessen wurde u. a. auch die Markie- rung von plastifizierten Sprengstoffen mit z. B. 2,3-Dimethyl-2,3-dinitrobutan (DMNB) [9] verpflichtend, was die Detektion der Explosivstoffe mit einem norma- lerweise sehr geringem Dampfdruck erleichtern soll.
Selbstverständlich lassen sich derartige Vorschriften mit wenig krimineller Energie umgehen. Zumal Terroristen bereit sind, Sprengstoffe zu benutzen, die nicht ohne Grund nie für die zivile oder militärische Anwendung eingesetzt wur- den, und immer neue unkonventionelle Sprengsätze (IED, improvised explosive device) entwickeln und Verstecke finden [10-13]. Auf die Kreativität von Bomben- bastlern zu reagieren und das Bauen von IED von vornherein zu verhindern, ist schwierig, zumal sich entsprechende Gruppierungen global bewegen. Als Reak- tion darauf werden vor allem Sicherheitskonzepte und –maßnahmen verbessert und erweitert. Zwar nahmen auch die weltweiten Militärausgaben, die nach dem Ende des Kalten Krieges Anfang der 1990er sanken, seit 2001 wieder zu [5], aber die diffuse Angst vor Terrorismus führte daneben zu enormen Kosten bei Transporten und Personenbeförderung durch die Umsetzung immer neuer Sicherheitsanforderungen [14], was letztlich der eigentliche Schaden des Terrors ist. Insbesondere kommen neue Technologien zur Detektion von Explosivstoffen, von denen in den Medien vor allem die Körperscanner (basierend auf Terahertz- strahlung) [15, 16] für Aufsehen sorgten, zum Einsatz. Ebenso wurden die För- derprogramme für Forschung auf sicherheitsrelevanten Gebieten erweitert. So stellt beispielsweise die Europäische Union allein in ihrem 7. Forschungsrah- menprogramm insgesamt 1.4 Milliarden Euro verteilt über sieben Jahre für den Themenbereich 10 „Sicherheitsforschung“ bereit [17].
Das Aufspüren und Identifizieren von konventionellen Explosivstoffen ist auch in anderen Bereichen relevant, so zum Beispiel beim Umweltschutz, wo es zu- meist um die Entsorgung von Altlasten geht [18]. Durch die freie Zugänglichkeit von Informationen über das Internet probieren außerdem Laien Rezepturen zur Herstellung von Explosivstoffen aus, was allein in Deutschland zu fünf bis zehn Toten im Jahr führt [19]. Um diese häufig unkonventionellen Explosivstoffe, auch homemade explosives (HME) genannt, ordnungsgemäß und vor allem sicher
vernichten zu können, ist hier eine vorherige Identifizierung notwendig. Einer der populärsten HME ist Triacetontriperoxid (TATP, Abbildung 1.1), um dessen Nachweis es in der vorliegenden Arbeit gehen soll. Es ist nicht nur aus leicht er- hältlichen Haushaltschemikalien herstellbar, sondern seine Synthese ist zudem sehr einfach. Bei Unachtsamkeit kann es sogar bei der Entsorgung von Abfällen in einem Chemielabor entstehen, wie 2001 an der Universität Bonn geschehen, wo dies zu einem Großaufgebot an Spezialeinheiten von Polizei und Feuerwehr führte [20, 21]. Ferner wurde in Flaschen mit Diisopropylether, die über lange Zeit lagerten und schließlich explodierten, die Bildung von TATP nachgewiesen [22].
Ein Schnelltest für TATP könnte einerseits durch regelmäßig durchgeführte Kon- trollen der versehentlichen Entstehung größerer Mengen TATP vorbeugen und andererseits die Arbeit der Einsatzkräfte und bei der Entsorgung erheblich er- leichtern, wenn in Verdachtsfällen unverzüglich klar ist, ob es sich um TATP han- delt.
Abbildung 1.1: Kugel-Stab-Modell des TATP.
TATP spielt, ebenso wie z. B. Hexamethylentriperoxiddiamin (HMTD) und andere Peroxid-basierte Explosivstoffe, keine wirtschaftliche oder militärische Rolle (sie- he auch Abschnitt 2.1.1). Es wurde fast ausschließlich als terroristischer Explo- sivstoff, z. B. in IED und als Initialsprengstoff, bekannt [1, 23-25]. Offizielle Be- richte über die Verwendung von TATP in Zusammenhang mit kriminellen Aktivitä- ten gibt es erst seit den 1980er/Anfang der 1990er Jahre. Sie stammen aus dem Westjordanland [26] und den USA [27, 28]. Besondere mediale Aufmerksamkeit erlangte u. a. der als „Schuhbomber“ bezeichnete Richard Reid, der 2001 TATP zum Zünden des PETN in seinem Schuh verwenden wollte [12, 23, 24, 29]. 2007 wurde die sogenannte „Sauerland-Gruppe“ verhaftet, deren große Mengen Was- serstoffperoxid, mutmaßlich zur Herstellung von TATP, medienwirksam präsen- tiert wurden [30, 31]. In Dänemark verletzte sich 2011 ein Attentäter beim Bau einer Briefbombe mit TATP und Metallteilen selbst [32]. Vor allem sollen jedoch die Anschläge vom 7. Juli 2005 in London, bei denen 56 Menschen starben, mit TATP in großen Mengen begangen worden sein [23, 24, 33]. Ein Jahr später konnten weitere Anschläge in London verhindert werden, bei welchen Flugzeuge mittels Flüssigkeiten – über Flüssigsprengstoffe oder zur Vor-Ort-Synthese für TATP wurde diskutiert [34, 35] – zum Absturz gebracht werden sollten. Daraufhin wurde noch im selben Jahr das Mitführen von Flüssigkeiten im Handgepäck ein- geschränkt [36], wie durch EU-Verordnung Nr. 185/2010 geregelt [37].
Die Beliebtheit von TATP bei seinen Verwendern ist nicht nur auf seine preis- werte Produktion oder seine leichte Zündbarkeit zurückzuführen, sondern wohl auch auf das Wissen um seine mit üblichen kommerziellen Verfahren schwierige Detektion [24]. TATP ist, ähnlich Zucker, ein unauffälliger, farbloser Stoff, wie Abbildung 1.2 veranschaulicht. Seine im Vergleich zu anderen Explosivstoffen (siehe Tabelle 2.1) geringe Dichte machen es bei Untersuchungen durch (Dichte-)Anomalie-Detektoren mittels Röntgenstrahlung oder Magnetresonanz ähnlich unauffällig wie organische Materialien [29]. Durch seine Eigenschaften als Initialsprengstoff sowie der Reib- und Schlagempfindlichkeit von TATP wird außerdem kein Zünder benötigt [24], so dass auch Metalldetektoren versagen.
Vor allem aber das Fehlen von für Explosivstoffe typischen Nitrogruppen (Abbildung 1.1) und seine Instabilität erweisen sich als schwierig für die gängigen Nachweismethoden, selbst für Spürhunde [24, 38]. Am verbreitetsten sind gas- chromatographische Methoden oder die Ionen-Mobilitäts-Spektrometrie (IMS).
Erstere werden jedoch aus Kostengründen zumeist ohne Massenspektrometrie- Kopplung eingesetzt und sind damit für TATP ungeeignet. Letztere wird zur De- tektion von Explosivstoffen sowie von Drogen gewöhnlich im negativen Modus betrieben. TATP spricht jedoch nur im positiven Modus an [39].
Abbildung 1.2: TATP (links) im Vergleich zu Haushaltszucker (Saccharose, rechts).
Natürlich gibt es inzwischen zahlreiche weiterentwickelte und neue Methoden, die einen Nachweis von TATP ermöglichen, wie Tabelle 2.2 in Abschnitt 2.1.2 zeigt. Viele sind bislang aber lediglich im Labor anwendbar oder zu aufwendig und teuer. Gerade beim Nachweis von Explosivstoffen ist jedoch ein schneller und zuverlässiger Vor-Ort-Nachweis angebracht, besonders im Falle von TATP, welches aufgrund seiner Instabilität und Empfindlichkeit nicht transportiert wer- den darf [40]. Die Anforderungen an ein derartiges Detektionssystem sind vielfäl- tig: Neben Selektivität und Empfindlichkeit stehen eine leichte Handhabung und wirtschaftliche Aspekte im Mittelpunkt [7]. Je nach Anwendungsgebiet muss eventuell auch ein hoher Probendurchsatz möglich sein und dennoch gewährleis- tet werden, dass es keine falsch-positiven oder falsch-negativen Resultate gibt.
Eine besondere Herausforderung dabei stellen Orte mit vielen Menschen dar, insbesondere Flughäfen. Nicht nur die Berliner Flughäfen haben seit Jahren stets steigende Passagierzahlen und zählten letztes Jahr über 25 Millionen Fluggäste [41]. Der neue Flughafen Berlin Brandenburg BER soll einmal bis zu 45 Millionen Passagiere abfertigen [42], d. h. es müssen derzeit mehr als ein Passagier pro Sekunde samt Gepäck kontrolliert werden und später mehr als zwei in der glei- chen Zeit. Hinzu kommen die unzähligen Substanzen, die in Lebensmitteln,
Kosmetika, Kleidung etc. mitgeführt werden und die keine Störfaktoren für die Detektoren sein dürfen, wie es zuletzt bei den Körperscannern schon durch Schweiß der Fall gewesen ist [16] oder auch bei harmlosen Produkten wie Honig [43] beobachtet wurde.
Ziel der Arbeit
Ein neuer Ansatz zur Detektion von TATP wird in dieser Arbeit präsentiert, wobei hier die einzigartige Struktur des TATP (Abbildung 1.1) ausgenutzt werden sollte.
Die Suche mit Hilfe von Superimposé 1.1 [44, 45] nach Verbindungen mit ähnli- cher Struktur wie die des dreidimensionalen TATP-Moleküls (CCDC-Datenbank HMHOCN01 [46]) ergab keine Treffer, so dass ein Nachweissystem, welches direkt die Struktur des TATP erkennt, eine hohe Selektivität garantieren müsste.
Die Natur kennt solche Systeme, beispielsweise als Rezeptoren und Antikörper, und erreicht dazu noch eine hohe Empfindlichkeit (durch Affinitätskonstanten von
> 1010 L mol-1 [47]). Eine bioanalytische Detektionsmethode, basierend auf Anti- körpern, könnte also die Lösung für die Spurenanalytik von TATP sein. Zwar wurden Immunoassays mit Antikörpern gegen die Explosivstoffe TNT [18, 48-57], RDX [58, 59] und PETN [60, 61] mehrfach beschrieben, jedoch kam es trotz der schon 1996 durch die Umweltschutzbehörde der USA (EPA) für TNT [62] und RDX [63] herausgebenden Methoden bislang nicht zu einem breiten, kommerziel- len Einsatz. Über die Herstellung und Anwendung von Antikörpern zur Detektion von HME ist bisher nichts bekannt [64]. Zumal vor allem die Peroxid-basierten Explosivstoffe instabil sind und daher der Ausgang einer Immunisierung unge- wiss schien. Entscheidend für die Gewinnung von Antikörpern ist zunächst das Hapten-Design, von dessen Güte der Nachbildung der TATP-Struktur und Stabili- tät im immunisierten Organismus schließlich die Qualität der Antikörper bezüglich der Erkennung des Analyten TATP abhängt. Ehe die TATP-Antikörper dann zur Gestaltung einer geeigneten Biosensor-Plattform dienen können, müssen sie hinsichtlich ihrer analytischen Eigenschaften, wie Nachweisgrenze und Kreuzre- aktivität, charakterisiert werden. Das geschieht gemeinhin mittels enzymgekop- peltem Immunoassay (ELISA), dessen Entwicklung die Grundlage für weitere immunchemische Methoden bietet, selbst aber auch schon als Labormethode zum Nachweis von TATP einsetzbar ist.
2.1 Triacetontriperoxid
2.1.1 TATP – Ein Überblick
Historisches
Der Berliner Chemiker Richard Wolffenstein entdeckte 1895 das von ihm Tri- cycloacetonsuperoxyd genannte TATP eher zufällig und erkannte schnell sein explosives Potenzial [65]. Dieses versuchte er sprengtechnisch zu nutzen und meldete im selben Jahr unter der Patenschrift Nr. 84953 die Darstellung von TATP beim Kaiserlichen Patentamt an [66], ließ das Patent aber schon zwei Jah- re später wieder fallen [1]. 1925, also dreißig Jahre später, reichten G. Pyl und die Sprengstoffwerke Dr. R. Nahnsen & Co. AG ein Reichspatent zur Nutzung von TATP in Initialzündmitteln ein [67]. Im Jahr darauf wurde im Jahresbericht V der Chemisch-Technischen Reichsanstalt erklärt, dass TATP wegen seiner Flüchtigkeit, die bereits Wolffenstein auffiel [65], ungeeignet als Initialsprengstoff ist [68]. Dennoch wurden die Initialsprengstoffeigenschaften des TATP weiter untersucht [69, 70] und über seinen Einsatz als Zündbeschleuniger in Diesel- kraftstoffen nachgedacht [71]. TATP kam jedoch aufgrund seiner Sublimationsei- genschaften und Instabilität nie zur praktischen Verwendung im zivilen oder mili- tärischen Bereich [1, 6, 72]. Daher unterliegen Acetonperoxide erst – seit 2002 – durch den Feststellungsbescheid Nr. 413 dem Sprengstoffgesetz [73].
Eigenschaften
Die Gefahr, die von TATP ausgeht, ist nicht zu unterschätzen. Zum einen reagiert es ähnlich wie Nitroglycerin (Schlagempfindlichkeit: 0.2 Nm [74], vgl. Tabelle 2.1) äußerst empfindlich auf Schlag und bezüglich der Reibung sogar deutlich emp- findlicher als Nitroglycerin, das bis zu einer Stiftbelastung von 360 N keine Reak- tion zeigt [74]. Des Weiteren kann TATP jedoch auch durch statische Elektrizität, Temperaturerhöhung oder gar spontan explodieren und selbst bei einem Feuch- tigkeitsgehalt von bis zu 25% noch detonieren [75]. Zum anderen genügen 0.05 g TATP, um PETN zu initiieren [72]. Seine Sprengkraft wird mit bis zu 88% der Sprengkraft von TNT angegeben ([24, 25], das TNT-Äquivalent schwankt je nach Autor und Methode) und liegt in Mischungen mit Ammoniumnitrat sogar leicht darüber (107%, [76]). Das TNT-Äquivalent wird klassischerweise herangezogen,
um Explosivstoffe bewerten zu können, indem ihre Eigenschaften im Vergleich mit denen des TNT betrachtet werden (siehe Tabelle 2.1 für TATP).
Tabelle 2.1: Kenndaten und Eigenschaften von TNT und TATP.
TNT TATP
Sekundärsprengstoff Initialsprengstoff Summenformel C7H5N3O6 C9H18O6
CAS-Nummer 118-96-7 17088-37-8
M 227.13 222.24
Schmelzpunkt 80.8 °C von 91 °C [72] bis 97 °C [65]
Verpuffung ab 300 °C 165°C [77]
Dichte Kristall: 1.65 g cm-3 [78]
geschmolzen: 1.47 g cm-3
1.2 g cm-3 [75, 78]
Dampfdruck 5 × 10-4 Pa (25 °C) [79] 7 Pa (25 °C) [79], Sublima- tion: 68,6 % in 14 Tagen [75], mit Wasserdampf oder Ether flüchtig [77]
Löslichkeit in Wasser 100.5 mg L-1(25°C, pH 6.8) [80]
177 mg L-1 (22 °C) [diese Arbeit]
Gut löslich in Benzol, Toluol, Aceton, Chloroform [78]
Aceton, Ether, Benzol [65], Tetrachlormethan, Pyridin, Chloroform [75], Ethylacetat, Hexan [77], Toluol [81]
Schwer löslich in Ethanol, Tetrachlormethan [78]
Methanol, Isopropanol, Gly- cerol [75], Ethanol, Eisessig [77]
Sauerstoffbilanz -73.9% -151.2% [75]
Stickstoffgehalt 18.50% 0.00%
Bleiblockausbauchung 300 cm3/10 g 250 cm3/10 g [72]
Schlagempfindlichkeit 15 Nm 0.3 Nm [72]
Reibempfindlichkeit keine Reaktion bis 353 N Stiftbelastung
Explosion bei 0.1 N Stiftbe- lastung
Detonationsgeschwin- digkeit
6900 m s-1 ( = 1.6 g cm-3) 5290 m s-1 ( = 1.2 g cm-3) [82]
Kristalle farblos bis gelb, orthorhom- bisch oder monoklin [78]
farblos, monoklin [77]
Sonstiges toxisch; krebserzeugendes
Potenzial [83] würziger Geruch [65]
Quelle, soweit nicht anders vermerkt: [84]
Darstellung
Die Synthese von TATP, das auch als trimeres Acetonperoxid, APEX, Aceton- peroxyd, TCAP, Tricycloacetonperoxid, 3,3,6,6,9,9-Hexamethyl-1,2,4,5,7,8- hexaoxonan oder 3,3,6,6,9,9-Hexamethyl-1,2,4,5,7,8-hexaoxacyclononan be- zeichnet wird, ist sehr einfach aus Aceton, Wasserstoffperoxid und etwas Säure mit ca. 65% Ausbeute [46] durchzuführen, wie der Reaktionsmechanismus in Abbildung 2.1 veranschaulicht (schematische Darstellung: Abbildung 3.1). Wolf- fenstein [65] beobachtete, dass die Verwendung von reinem Aceton und destil- liertem Wasserstoffperoxid nicht zur Bildung von TATP-Kristallen führte, jedoch nach mehrtägigem bis vierwöchigem Stehen einer Mischung aus Aceton und 10- bis 50%iger Wasserstoffperoxidlösung bei Raumtemperatur TATP auch ohne Säurezugabe in sehr geringer Menge kristallisierte. Offensichtlich sind die durch die Autoprotolyse des Wassers entstehenden Protonen als Katalysator für die Reaktion ausreichend. Bei Zugabe von Phosphorsäure zu den reinen Ausgangs- stoffen konnte Wolffenstein [65] die Reaktion zu TATP sofort sehen.
Abbildung 2.1: Reaktionsmechanismus der Darstellung von TATP und (in grau gehalten) DADP (nach [85]).
Baeyer und Villiger [86, 87] fanden bei ihren Untersuchungen zur Einwirkung des Caro’schen Reagenz auf Aceton ein dimeres Acetonperoxid (DADP). Sie stellten weiterhin fest, dass bei der Zugabe von konzentrierten Säuren zu 50%iger Was- serstoffperoxidlösung und Aceton ein breiiger Niederschlag entstand, der sich bei der Verwendung von Salzsäure als TATP erwies und bei der Verwendung von Schwefelsäure als eine Mischung aus dimeren und trimeren Acetonperoxiden.
Einen etwas anderen Weg TATP darzustellen, zeigten Criegee und Metz [88] auf.
Sie ließen ihr neu entdecktes, nicht-zyklisches Triperoxid (1,1‘-Bishydroperoxy- diisopropylperoxyd) in Aceton mit wasserfreiem Kupfersulfat 14 Tage inkubieren und fällten TATP anschließend durch die Zugabe von Wasser aus, wobei sie eine Ausbeute von 80% erzielten. Die Studien über organische Peroxide von Milas und Golubovic [89] ergaben, dass sich ohne die Anwesenheit einer Säure aus Aceton und 50%iger Wasserstoffperoxidlösung innerhalb von vier Stunden bei 0 °C oder nach 24 Stunden bei Raumtemperatur (also deutlich kürzere Inkubati-
onszeiten als bei Wolffenstein [65]) keine zyklischen Peroxide bilden, sondern überwiegend ein bis dahin unbekanntes Diperoxid (2,2-Dihydroperoxypropan) und in geringer Menge auch das Triperoxid, das ebenfalls von Criegee und Metz beobachteten [88]. Wird einem Reaktionsansatz aus Aceton und 50%iger Was- serstoffperoxidlösung jedoch konzentrierte Schwefelsäure zugesetzt, so entste- hen vier verschiedene Peroxide, darunter auch die beiden bereits genannten (ein weiteres bleibt unidentifiziert), aber vor allem – zu 90% – TATP.
Neuere Untersuchungen beschäftigten sich mit dem Einfluss der als Katalysa- tor eingesetzten Säure auf die TATP-Synthese. So analysierten Matyas und Pachman [90] die Abhängigkeit von Art und Konzentration der verwendeten Säu- re auf die thermische Stabilität des ungereinigten TATP. Mit Salz- oder Salpeter- säure beginnt die Zersetzung des Rohprodukts oberhalb von 145 °C, unabhängig von der eingesetzten Menge. Wird hingegen Schwefel- oder Perchlorsäure bei der Synthese benutzt, so bewirken dabei höhere Säurekonzentrationen, dass TATP bereits während des Schmelzens oder schon davor zerfällt. Ab einem mo- laren Verhältnis von Säure zu Aceton von 1 × 10-2 oder darunter entsteht ein Produkt, welches die gleiche Stabilität wie mit den beiden ersten Säuren herge- stelltes oder umkristallisiertes TATP aufweist. Einige Autoren (z. B. [81] und [91]) erwähnen, dass beim Einsatz von Schwefelsäure als Katalysator DADP als Ne- benprodukt gebildet wird, dessen Entstehung bei der Verwendung von Salzsäure ausbleibt, wie auch schon von Baeyer und Villiger [87] beschrieben. In vielen Fällen, selbst bei strukturanalytischen Untersuchungen ohne Umkristallisation [46], wurde dennoch Schwefelsäure als Katalysator bei der TATP-Synthese ein- gesetzt, ohne dass die Autoren von der Entstehung des DADP berichteten. Sel- tener wurde tetrameres Acetonperoxid beobachtet [91], welches nach Jiang et al.
[92] bei der Verwendung von Zinnchloriden (SnCl4·5H2O oder SnCl2·2H2O) ent- steht. Peña et al. [93] hingegen erkannten einen Einfluss der Temperatur auf die Bildung von Dimer und Tetramer, welche erst oberhalb von 10 °C neben dem trimeren Acetonperoxid entstehen. Auch die Verwendung zu hoch konzertierter Säuren hat ihrer Beobachtung nach diesen Effekt, wobei hier ebenfalls die Wär- meentwicklung beim Mischen eine Rolle spielen könnte. Wird die Temperatur des Syntheseansatzes unter 5 °C gehalten, so ist TATP das einzige Produkt.
Zersetzung/Zerfall
Beim Erwärmen oder längerer Einwirkung mit verdünnter Schwefelsäure zerfällt TATP quantitativ wieder in seine Ausgangsstoffe Aceton und Wasserstoffperoxid [65, 77], was daher auch eine gute Methode zur Entsorgung von kleineren Men- gen TATP ist. Die Behandlung mit anderen Säuren wie Essig- (1 M) [94] oder Salzsäure (37%) [95, 96] führt ebenfalls zum Zerfall von TATP. Armitt [96] schlug für die Schwefelsäure- (35%) sowie die Salzsäure-katalysierte Zersetzung von TATP außerdem zwei mögliche Mechanismen vor. Im Falle der Schwefelsäure kann dabei in einem Zwischenschritt auch vorübergehende DADP gebildet wer- den, ehe Aceton und Wasserstoffperoxid entstehen. Bei der Verwendung von Salzsäure könnten zusätzlich chlorierte Aceton-Derivate resultieren. Allerdings ist der Einsatz von Säuren, insbesondere konzentrierten, nur für Mengen von bis zu
etwa einem Gramm TATP ratsam, da die Reaktion von Oxley et al. [97] als exotherm eingeschätzt wurde und in größerem Maßstab zur Detonation des TATP führen kann. Stattdessen zeigten sie, dass der Einsatz von ZnSO4 und CuCl2 in Kombination mit Zink oder Kupfer und weiteren Salzen eine Vernichtung von TATP-Lösungen bei Raumtemperatur innerhalb von 24 Stunden ermöglicht, wobei ein Ansäuern der Lösung diesen Prozess beschleunigt. Ähnliches wurde bereits zuvor von Bellamy [81] mit SnCl2·2H2O versucht, jedoch musste hier zu- sätzlich die TATP-haltige Lösung (u. a. mit Toluol) auf 65 °C erwärmt werden.
Eine weitere, wenn auch weniger effiziente Möglichkeit, TATP zu zersetzen, ist die UV-Bestrahlung [98-101]. Auch hierbei entsteht Wasserstoffperoxid, wenn- gleich keine Angaben gemacht wurden, wie schnell oder vollständig die Reaktion abläuft.
Andere Methoden wie das Abbrennen von TATP (gemeinsam mit brennbaren Lösungsmitteln) sind zwar effizienter und schneller bei seiner Vernichtung, ber- gen aber große Gefahren, da es zu unkalkulierbaren Detonationen kommt [81].
Auch eine vorsichtige thermische Zersetzung hat sich nicht durchgesetzt, da hier selbst nach 12 Tagen unter Rückfluss in Toluol (111 °C) noch TATP-Reste vor- handen waren [81]. Auch Oxley et al. [102] untersuchten die thermische Zerset- zung von TATP bei 150-230 °C unter verschiedenen Bedingungen, wobei das Hauptzersetzungsprodukt immer Aceton war. Während in protischen Lösungsmit- teln und in der kondensierten Phase fast ausschließlich Aceton freigesetzt wurde, entstanden in der Gasphase daneben Essigsäuremethylester bzw. bei höheren Temperaturen Kohlenstoffdioxid. In geringem Umfang wurde auch Essigsäure sowie Verbindungen aus der Reaktion mit Methylradikalen beobachtet. Explizit wurde darauf hingewiesen, dass während des Zerfalls von TATP kein DADP ge- funden wurde. Bei dieser Betrachtung nahmen die Autoren stets an, dass der Zerfall von TATP durch die homolytische Spaltung einer der Peroxidgruppen be- ginnt.
Dubnikova et al. [46] untersuchten den wohl interessantesten Aspekt der Zer- setzung von TATP – seine Explosion. Sie postulierten, dass die Explosion von TATP eher eine Zerfallsreaktion als ein Oxidationsvorgang ist und nicht wie bei anderen Explosivstoffen ein Großteil der Energie durch exotherme Reaktionen freigesetzt wird. Dabei bilden sich aus einem TATP-Molekül vier gasförmige Mo- leküle, ein Ozon- und drei Aceton-Moleküle, was mit einer enormen Volumen- ausdehnung einhergeht und die Zunahme der Entropie des gasförmigen gegen- über dem festen Zustand bewirkt.
Struktur
TATP besteht aus drei ringförmig angeordneten Peroxidgruppen, welche jeweils durch ein Kohlenstoffatom voneinander getrennt sind. Zusammen bilden sie ein Nonagon. An den drei ringständigen Kohlenstoffatomen sind jeweils zwei Methyl- gruppen lokalisiert (Abbildung 1.1 und Abbildung 2.2). Diese Struktur wurde be- reits von Wolffenstein 1895 gezeichnet [65]. Die erste Kristallstrukturanalyse er- folgte 1969 durch Groth [103] (CCDC-Datenbank: HMHOCN) und wurde 2005
durch Dubnikova et al. [46] (CCDC-Datenbank: HMHOCN01 oder CCDC- 241973) bestätigt. Den monoklinen Kristallen wurde die Raumgruppe P21/c zu- geordnet und sie enthalten vier Moleküle je Elementarzelle ohne Einschluss von Lösungsmittel. Die Konformation des TATP-Moleküls, welches die Symmetrie eines regelmäßigen Dreiecks (D3) aufweist, wurde als Twist-Wannen-Sessel be- schrieben (Abbildung 2.2).
Das Vorhandensein eines weiteren, bei Raumtemperatur stabilen TATP- Konformers wurde erst 2002 bei Widmer et al. [104] deutlich. Dort wurden zu- nächst noch unbekannterweise mittels Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC) zwei TATP-Konformere voneinander getrennt. Die im Anschluss an die Fraktionierung erfolgte Untersuchung per Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) erbrachte nur wenig Aufschluss über die Identität des zweiten Signals im HPLC- Chromatogramm einer reinen TATP-Lösungen, da die Trennung scheinbar nicht vollständig war. Weitere HPLC-Untersuchungen zeigten den Grund: Zwischen dem ersten, größeren Signal und dem nachfolgenden, kleineren stellte sich trotz der Trennung immer wieder ein Verhältnis von 15:1 ein. Die Autoren schlossen daraus, dass es sich um ein weiteres Konformer des TATP handeln muss, zumal ein Jahr zuvor halbempirische Betrachtungen von Yavari et al. [105] auf die Exis- tenz eines Twist-Sessel-Sessel-Konformers von TATP (Abbildung 2.2) hinwie- sen. Dieses besitzt eine C2-Symmetrie, die einer Punktspiegelung entspricht, und eine nach den Berechnungen in [105] um 3.4 kJ mol-1 höhere Bildungsenthalpie als das D3-Konformer.
Abbildung 2.2: Die Konformere von TATP.
Mit den energetischen Unterschieden zwischen D3- und C2-TATP beschäftigten sich auch Denekamp et al. [106]. Ihre theoretisch ermittelte Energiedifferenz von 1.85 kcal mol-1 (7.7 kJ mol-1) ist gut doppelt so hoch wie die von Yavari et al.
[105] und zeigt ebenfalls, dass das D3-TATP mit dem geringeren Energiegehalt das stabilere Konformer von beiden ist. Außerdem postulierten Denekamp et al.
[106] einen eventuellen Flip-Flop-Mechanismus für die Umwandlung der TATP- Konformere ineinander und berechneten die Aktivierungsenergie zum Überwin- den der Umwandlungsbarriere in der Gasphase auf E = 26.3 kcal mol-1 (110 kJ mol-1).
2.1.2 TATP-Analytik
Die Identifizierung und Quantifizierung von Explosivstoffen kann über jede nur denkbare Methode erfolgen, von klassischen chromatographischen und massen- spektrometrischen über optische, elektrochemische sowie nanotechnologische zu bioanalytischen und weiteren Anwendungen. Übersichtsartikel und Bücher [107-114] darüber sind in großer Zahl erschienen und dennoch gibt es weiterhin Bedarf für Messsysteme, die insbesondere den Ansprüchen der Sicherheits- überwachung bezüglich Schnelligkeit, Zuverlässigkeit sowie der möglichst berüh- rungslosen Detektion von Explosivstoffen genügen [115] und die auch unkonven- tionelle Explosivstoffe mit einschließen [116]. Viele Entwicklungen beziehen sich zunächst auf TNT, das häufig auch als Vergleichsgröße für andere Explosivstoffe (Abschnitt 2.1.1) herangezogen und dementsprechend in späteren Kapiteln stets als Beispiel dienen wird.
Einleitend wurden bereits die Schwierigkeiten erwähnt, die die üblichen, z. B.
auf Nitrogruppen ausgerichteten, Detektionsverfahren für Explosivstoffe mit TATP haben [114]. In den letzten zehn Jahren hat jedoch die Anzahl der Metho- den zum Nachweis von TATP in erheblichem Maße zugenommen, wie die Über- sichtsartikel von Schulte-Ladbeck et al. [117] und Burks und Hage [118, 119]
zeigen. Auch das National Institute of Standards and Technology (NIST) brachte erst vor Kurzem ein Referenzmaterial SRM 2907 Trace Terrorist Explosives Si- mulants zur Prüfung von Methoden zur Spurenanalyse von TATP heraus [120].
Nachstehende Tabelle 2.2 ist in Anlehnung an die von Burks und Hage [118, 119] erstellte Auflistung von Nachweisverfahren für die Peroxid-basierten Explo- sivstoffe HMTD und TATP entstanden und soll als Erweiterung (ohne Anspruch auf Vollständigkeit) für TATP angesehen werden.
Tabelle 2.2: Nachweisgrenzen von TATP.
Nachweisgrenze Methode Quelle
10 µg L-1 GC-MS, Elektronenstoßionisation/Ionenfalle, nur m/z 43
[121]
670 pg GC-MS, Multiphotonenionisation (Femtosekunden- laser)/Flugzeit, m/z 15, 43 und 222 [122]
Nachweisgrenze Methode Quelle
< 1 ng Headspace-GC-MS Elektronenstoßionisati- on/Ionenfalle, m/z 43, 59, 75 und 221
[123]
0.05 ng GC-MS, Elektronenstoßionisation/Quadrupol, m/z 43, 59, 75
[124]
6.4 ng GC-MS mit SPME, Elektronenstoßionisati- on/Ionenfalle, m/z 20-250
[125]
62.5 ng (12.5 mg L-1)
MS, ESI, positiver Modus mit Na+/Quadrupol, m/z 50-800,
[126]
1-50 ng von Ober- flächen
MS, Desorptions-Elektrospray-Ionisation, positiver Modus mit Na+/Quadrupol, m/z 45
[127]
~ 70 pg (30 ppb) MS, APCI, positiver Modus mit NH4+/Flugzeit, m/z 240
[128]
222 mg L-1 HPLC mit Fourier-Transform-Infrarot-Detektor [129]
0.8 ng LC-MS/MS, APCI, positiver Modus mit NH4+/Quadrupol, m/z 240, 240/223, 240/74
[130]
100 µg L-1 LC-MS, APCI, positiver Modus mit NH4+/Quadrupol, m/z 89
[104]
wenige mg Headspace-IMS, positiver Modus, mit planarer SPME
[131]
wenigeµg L-1LuftgTragbares Aspirations-IMS, positiver und negativer Modus, Anreicherung: 3.5 min mit 4 L min-1
[132]
187 mg L-1 IMS, positiver Modus [133]
< 100 µgs Infrarot-Laser-photoakustische Spektroskopie, CO2-Laser, 9-11 µm
[134, 135]
0.5 mg L-1 Differentielle Absorption-Lidar-System, CO2-Laser,
online = 10.632 µm, offline = 10.220 µm
[136]
10 mgs Stand-off-Raman-Spektroskopie, Distanz: 7 m, Ar-Laser
[137]
~ 0.02 mg L-1g Oberflächenverstärkte Raman-Streuung, Diodenla- ser, (Signal bei 553 cm-1)
[138]
31 ppbg Quarzkristall-Mikrowaage, Beschichtung: Dendri-
mere aus Polyphenylenen [139]
ppb-Bereichg Chemiresistor,ZnO-beschichtete Silica-Nanofedern [140, 141]
(~105 ppbv,
<5 mg)g
Elektrochemischer Gassensor, Zn+ auf TiO2- Nanoröhren
[142]
2.9 ppb (0.5 mg)g Elektrochemischer Gassensor, In2O3-Nanopartikel (bei 270 °C)
[143]
ppm-Bereichg Thermodynamischer Gassensor, Mikroheizung mit Nickeloberfläche beschichtet mit Metalloxiden
[144]
100 ppbg Elektrochemischer Gassensor, Halbleiter mit Mo- nolayer aus organischen Verbindungen
[145]
1.9 mg L-1 Chronoamperometrie mit Br - (bei 55 °C) [146]
Angaben, wenn möglich in g L-1 umgerechnet
g aus Gasphase
s Feststoff
Die Tabelle 2.2 zeigt viele interessante, klassische und neuere, Möglichkeiten zur TATP-Detektion, deren Nachweisgrenzen zum Teil erheblich variieren. Massen- spektrometrische Methoden sind mit Abstand am verbreitetsten. Mit ihnen wer- den auch die besten Nachweisgrenzen erreicht. Bei vielen anderen Verfahren, insbesondere jenen, die TATP über Metalloxidoberflächen erkennen, fehlen An- gaben über die Selektivität dieser Beschichtungen. Die Methoden mit den schlechtesten Nachweisgrenzen haben aber einen Vorteil gegenüber den Mas- senspektrometern: Sie sind mobil und teilweise sind sie außerdem schneller.
Erwähnenswert sind in diesem Zusammenhang auch Entwicklungen im Bereich der Sicherheitsüberwachung, die z. B. die hohe Empfindlichkeit der APCI-MS in einer Durchlaufschleuse mit Ansaugsystem zur Probenanreicherung und den hohen Dampfdruck von TATP ausnutzen [147, 148]. Ein Feldversuch zeigte, dass in 2 bis 3 s TATP auf Personen oder Gepäckstücken (1200 je Stunde) nachgewiesen werden kann. Allerdings gab es zum einen mit Aceton falsch- positive Signale und zum anderen eignet sich dieses Verfahren kaum für andere Explosivstoffe, also nicht für Substanzen mit (sehr) geringem Dampfdruck. Dane- ben gelang es Chen et al. [149] mittels neutraler Desorption unter Verwendung von Stickstoff als Trägergas zur Probenahme und angeschlossener extraktiver ESI-MS/MS die Analyten TNT, RDX, HMX, Nitroglycerin sowie TATP direkt von der Haut ohne weitere Probenaufbereitung im Bereich ab 0.5 bis 10 pg nachzu- weisen.
Nicht wenige beschriebene Verfahren weisen TATP indirekt über Wasserstoff- peroxid nach, wie die Beispiele im folgenden Absatz ausführlich zeigen. Diese Verfahren nutzten dabei aus, dass TATP durch Einwirkung von Säure und UV- Strahlung in seine Ausgangsstoffe zerfällt (Abschnitt 2.1.1). Obwohl diese Me- thoden zum Teil gute Empfindlichkeiten erzielen, so bleibt doch zu bedenken, dass sie letztendlich nicht zwischen TATP und Wasserstoffperoxid unterscheiden können und damit ein hohes Risiko für falsch-positive Signale gegeben ist, vor allem da Wasserstoffperoxid in viele Alltagsprodukten (Waschmitteln, Kosmetika, Desinfektionsmitteln) vorkommen kann.
Mit dem Einmal-Schnelltest ACRO-P.E.T. [24, 150] ließen sich geringe Mengen TATP (1 bis 2 mg, keine Nachweisgrenzen angegeben) in wenigen Minuten nachweisen, wobei nach dem Kontakt mit starken Säuren H2O2 entstand, wel- ches nach der Neutralisierung der Probenlösung eine enzymkatalysierte Farbre- aktion unter Verwendung des chromogenen Substrats 2,2′-Azino-di(3-ethylbenz- thiazolin)-6-sulfonat (ABTS) auslöste. Verwendet wurde dazu die aus immun- chemischen Methoden (wie ELISA, Abschnitt 2.3.1) bekannte und weitverbreitete Meerrettich-Peroxidase (HRP, horseradish peroxidase). Sehr ähnliche Prinzipien wurden von Schulte-Ladbeck et al. [98] und Girotti et al. [95] vorgestellt. Erstere benutzten ebenfalls ABTS und HRP um die Entstehung von H2O2 zu detektieren, jedoch nach UV-Bestrahlung des TATP, und konnten 8 µmol L-1 (2 mg L-1) TATP noch nachweisen. Mit dem Subtrat 3-(4-Hydroxyphenyl)propionsäure konnte durch fluorimetrische Messung die Nachweisgrenze auf 0.8 µmol L-1 (0.2 mg L-1) verbessert werden. Girotti et al. [95] verwendeten als Substrat Luminol und konn- ten durch die Detektion der eintretenden Chemilumineszenz 40 µg L-1 TATP im
Mikrotiterplattenformat bzw. 50 µg L-1 TATP mit einem tragbaren Detektor nach- weisen. Ebenfalls nach der Behandlung einer TATP-Probe mit Säure wurde aus einem fluorogenen Substrat durch oxidative Wirkung des freigesetzten H2O2 ein Fluoreszenzsignal gemessen und eine Nachweisgrenze von unter 10 nmol L-1 (2 µg L-1) sowohl für H2O2 als auch für TATP angegeben [94]. Mit einer Zerset- zung des TATP durch UV-Licht gelang die Detektion der Fluoreszenz bis in den Bereich von 100 nmol L-1 (22 µg L-1) [100]. Die Oxidation eines Farbstoffs durch H2O2 nach dem Zerfall von TATP wurde auch von Lin und Suslick [151] ausge- nutzt. Ihr colorimetrischer Sensor detektierte TATP semiquantitativ im Bereich von 50 bis 10 000 ppb aus der Gasphase, wobei die untere Grenze etwa 0.02%
des Sättigungsdampfdrucks entspricht. Mit elektrochemischen Methoden, z. B.
über ein Redoxsystem aus Fe(II/III)-Ethylendiamintetraacetat und H2O2, konnte eine Nachweisgrenze von 0.89 µmol L-1 (0.2 mg L-1) TATP [152] oder mit Ei- sen(III)-hexacyanoferrat(II/III) (Preußisch oder Berliner Blau) eine Nachweisgren- ze von 55 nmol L-1 (12 µg L-1) TATP [153] erreicht werden. Fast identisch ist eine Methode, bei der TATP photochemisch zersetzt wurde [154], wobei unter Ver- wendung einer UV-Lampe für 5 min ein TATP-Nachweis bis 0.25 µmol L-1 (0.1 mg L-1) und mit der Bestrahlung durch einen Laser für 15 s bis 50 nmol L-1 (11 µg L-1) möglich war. Auch gekoppelt an eine HPLC kann die Behandlung von TATP mit UV-Strahlung zur anschließenden elektrochemischen Detektion ge- nutzt werden [101]. Mit diesem Verfahren, das später zum Nachweis von TATP aus der Luft diente, wurde eine Nachweisgrenze von 3 µmol L-1 (1 mg L-1) TATP erreicht. Damit konnten nach 20-minütiger Anreicherung von TATP aus der Gas- phase mittels Waschflaschen 550 ng TATP pro Liter Luft ermittelt werden, wobei jedoch durch den enzymatischen Nachweis des Degradationsprodukts H2O2 (mit HRP mit ABTS als Substrat) bis 190 ng TATP pro Liter Luft nachgewiesen wer- den konnten [99]. Eine ausgefallene, wenngleich nicht sehr empfindliche Detekti- onsmethode für TATP wurde von Chen et al. [155] beschrieben. Sie gaben TATP in ein Gemisch aus Cysteinmethylester und p-Toluolsulfonsäure, in dem das durch die Säure freiwerdende H2O2 als Oxidationsmittel die Ausbildung von Disulfidbrücken bewirkte. Das Signal für die Anwesenheit von 1.5 bis 20 mg TATP ist die Beobachtung des Gelierens des Gemischs (0.4 bis 4 mL) innerhalb von 2 bis 30 min.
Zur viel in den Medien diskutierten Terahertzspektroskopie als zerstörungsfreie und berührungslose Methode zur Detektion von Explosivstoffen [15, 16] ist keine Aussage zur Anwendbarkeit der nicht-spurenanalytischen Methode für TATP unter realen Bedingungen zu treffen. Es wurde nur ein einziges Spektrum von 0.3 bis 18 THz mit ersten Absorptionssignalen ab ca. 4 THz veröffentlicht [156], ohne jegliche Vergleichsspektren anderer Substanzen, die die TATP-Signale überdecken könnten. Der Vergleich mit Spektren anderer Explosivstoffe (TNT, RDX, HMX und PETN) ist kaum möglich, da deren Terahertzspektren nur von 0.2 bis maximal 6 THz gemessen wurden [157, 158]. Sie zeigten jedoch in diesem unteren Bereich jeweils typische Muster, was bei dem TATP-Spektrum in diesem Bereich durch die ungünstige Skalierung nicht erkennbar war.
