Hast du dich schon einmal gefragt, wie der Gehalt an CBD, THC und anderen Cannabinoiden in Cannabis oder in CBD-Ölen bestimmt wird? In diesem Beitrag erklären wir die Wissenschaft hinter den Methoden, mit denen sich Cannabinoide quantifizieren lassen, etwa Gaschromatographie, HPLC und Massenspektrometrie, und wie diese Techniken gemeinsam eingesetzt werden, um die Bestandteile von Cannabis zu analysieren.
Einführung in die Cannabinoid-Analyse
Die Cannabinoid-Analyse wird zu verschiedenen Zwecken eingesetzt, sowohl therapeutischen als auch regulatorischen. Ihr Hauptzweck ist es, die Potenz und Qualität von Cannabisprodukten zu bestimmen, sie kann aber auch dazu dienen, eine Probe anhand ihres THC-Gehalts rechtlich als „Hanf“ oder „Marihuana“ einzustufen. Damit ist sie ein sehr nützliches Werkzeug, sowohl für Verbraucher als auch für Fachleute der Cannabisbranche.
Was sind Cannabinoide und wie entstehen sie in der Pflanze?
Cannabinoide sind eine Gruppe chemischer Verbindungen, die vor allem in der Cannabis sativa-Pflanze vorkommen. Sie entstehen in den Trichomen, sehr kleinen Drüsenstrukturen, die sich vor allem auf den Cannabisblüten der weiblichen Pflanzen befinden, besser bekannt als Buds.
Eine Besonderheit der Cannabinoide ist, dass die Pflanze sie in ihrer Säureform bildet, was durch ein „A“ am Ende der Abkürzung angezeigt wird. Deshalb gehören zu den bekanntesten sauren Verbindungen die Δ-9-Tetrahydrocannabinolsäure (THCA) und die Cannabidiolsäure (CBDA).
Werden Cannabinoide erhitzt, gehen sie in ihre neutrale Form über, also in die Cannabinoide, die wir alle kennen oder die am bekanntesten sind, wie Tetrahydrocannabinol (THC) und Cannabidiol (CBD). Das geschieht beim Erhitzen, indem sie Kohlendioxid (CO2) abgeben, in einem Prozess, der Decarboxylierung heißt.
Diese sauren und neutralen Formen der Cannabinoide lassen sich auf verschiedene Weise messen, und in diesem Beitrag erkläre ich dir einige davon.
Chromatographie verstehen: ein Schlüsselwerkzeug der Cannabinoid-Analyse
Was ist Chromatographie?
Eine der gängigsten Methoden, Cannabinoide in ihrer sauren und neutralen Form zu messen, ist die Chromatographie. Die Chromatographie ist ein Trennverfahren, das in Laboren mit speziellen Geräten durchgeführt wird: Dabei werden die Analyten, also die chemischen Verbindungen, aus denen eine Probe besteht, voneinander getrennt, um sie zu identifizieren.
Zum besseren Verständnis kann man sich die Chromatographie wie ein Rennen vorstellen. Die „Rennbahn“ ist die stationäre Phase: Sie bewegt sich nicht, und über sie läuft das Gemisch, das wir analysieren wollen. Die „Läufer“ sind die mobile Phase, die sich über die Rennbahn, also die stationäre Phase, bewegt. Die Cannabinoide bewegen sich wie die Läufer je nach ihren physikalischen Eigenschaften unterschiedlich: Manche haften stärker an der stationären Phase und kommen langsamer voran, wodurch sie sich von den schnelleren trennen (unterschiedliche Retentionszeit). Genauso beim Vergleich mit dem Rennen: Je weiter die Läufer auf der Bahn vorankommen, desto mehr trennen sie sich je nach ihrer körperlichen Verfassung.
So funktioniert die Chromatographie
- Probenvorbereitung: Jede Chromatographie beginnt mit einem Gemisch, das die mobile Phase bildet. Es besteht aus einem Lösungsmittel (flüssig oder gasförmig) und, im Fall von Cannabis, aus den Cannabisblüten, dem CBD-Öl, den Süßigkeiten oder einem anderen Produkt, das wir konsumieren und in dem wir die Cannabinoide identifizieren und quantifizieren wollen, die in diesem Fall Analyten heißen. Analyten sind die zu analysierenden Bestandteile, also die Verbindungen, die bei der Chromatographie getrennt und gemessen werden. (Mit derselben Technik lassen sich auch Terpene, Flavonoide und andere Verbindungen identifizieren, aber das ist ein Thema für einen anderen Beitrag.)
- Injektion: Die Probe wird unter Druck durch eine Säule aus einem festen oder halbfesten Material geleitet (stationäre Phase).
- Trennung: Die einzelnen Bestandteile der Probe unterscheiden sich in Flussrate, Größe und Polarität, weshalb sie sich beim Durchströmen der Säule voneinander trennen (manche haften stärker als andere).
- Detektion: Wenn die getrennten Bestandteile die Säule verlassen, durchlaufen sie einen Detektor, der die austretende Menge jedes einzelnen erfasst. Meist geschieht das, indem gemessen wird, wie viel ultraviolettes Licht jeder Bestandteil absorbiert.
- Datenauswertung: Die getrennten Bestandteile werden erfasst und auf einem Computer aufgezeichnet, der ein Diagramm erzeugt, das Chromatogramm. Seine Auswertung ermöglicht es, die verschiedenen enthaltenen Cannabinoide genau zu identifizieren und zu quantifizieren.
Gaschromatographie: Analyse von Cannabinoiden in ihrer neutralen Form
Die Gaschromatographie (GC, nach der englischen Bezeichnung Gas Chromatography) verwendet Gas als mobile Phase, und die Trennung findet in einer Säule statt, die ein Kapillarrohr sein kann. Bei dieser Technik braucht man Heizelemente, damit die Probe entlang der gesamten Kapillarsäule gleichmäßig ist.
Mit der Gaschromatographie lassen sich Cannabinoide nur in ihrer neutralen Form messen.
Da die Probe erhitzt werden muss, führt die GC zur Decarboxylierung der Cannabinoide in ihrer Säureform. Mit dieser Technik lassen sich Cannabinoide daher nur in ihrer neutralen Form bestimmen, weil die Hitze die sauren Formen decarboxyliert. Das kann einer der Nachteile der Gaschromatographie sein.
Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC): Messung von Cannabinoiden in saurer und neutraler Form
Die Flüssigkeitschromatographie arbeitet mit einer flüssigen mobilen Phase, wobei ebenfalls eine Säule verwendet werden kann. In der Cannabisbranche ist eine der meistgenutzten Techniken die Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC, vom englischen High Performance Liquid Chromatography), bei der sehr kleine Partikel unter hohem Druck gepackt werden.
Anders als bei der Gaschromatographie muss das Gemisch bei der Flüssigkeitschromatographie nicht erhitzt werden. Deshalb lässt sich mit ihr die Konzentration verschiedener Cannabinoide wie CBD und THC messen, auch in ihrer Säureform. Das macht sie zur bevorzugten Analysemethode für Cannabisprodukte.
Bei der HPLC wird diese unter Druck stehende Flüssigkeit (Lösungsmittel), die das zu analysierende Gemisch enthält, mit Pumpen durch die HPLC-Säule geleitet. Die einzelnen Bestandteile der Probe unterscheiden sich in ihrer Flussrate, weshalb sie sich beim Durchströmen der Säule voneinander trennen.
Ergebnisse einer Cannabinoid-Analyse mit HPLC auswerten
Die folgende Abbildung zeigt das Ergebnis einer Cannabinoid-Analyse mit HPLC [1]. Diese Art von Diagramm, das Chromatogramm, zeigt auf der X-Achse die Zeit und auf der Y-Achse die Signalintensität des Detektors. Jeder Peak im Diagramm steht für einen anderen Bestandteil der Probe, und aus der Fläche unter dem Peak lässt sich die Menge dieses Bestandteils in der Probe bestimmen.
Die X-Achse (horizontale Achse) zeigt die Trennzeit jedes einzelnen Analyten, die Einheit sind also Minuten. Wie du siehst, unterscheiden sich die Analyten, in diesem Fall Cannabinoide, in der Zeit (der Anzahl der Minuten), die sie brauchen, um die flüssige Phase zu durchlaufen.
Die Y-Achse (vertikale Achse) steht für die Signalintensität, ein Maß für die Absorbanz mit der Einheit AU (Absorbance Unit, englisch), und gibt die Menge des Analyten an. Grundlage dieses Messwerts ist die Lichtabsorption, also wie viel Licht jeder Analyt absorbiert. Je höher der Peak auf der Y-Achse, desto höher die Intensität, desto mehr ist von diesem Analyten in der Probe vorhanden und desto größer ist die Fläche unter der Kurve. In der folgenden Abbildung ist die Einheit auf der Y-Achse mAU (milli-Absorbance Units), also ein Tausendstel einer Absorbance Unit.
Jedes Cannabinoid hat eine bestimmte Retentionszeit, sodass wir sie in einer Chromatographie voneinander unterscheiden können. Je höher der Peak, desto höher die Konzentration dieses Cannabinoids in der Probe.
Das Ergebnis der Chromatographie sagt uns also, ob zu einem bestimmten Zeitpunkt (X-Achse) ein Analyt mit einer bestimmten Intensität (Y-Achse) vorhanden ist (oder nicht). In unserem Fall hat jedes Cannabinoid eine bestimmte Retentionszeit, und je mehr von diesem Cannabinoid in der Probe enthalten ist, desto höher ist der Wert auf der Y-Achse.
Deshalb braucht man, um die einzelnen Cannabinoide im Chromatogramm unterscheiden zu können, einen Standard, mit dem sich die spezifische Retentionszeit jedes Analyten (Cannabinoids) bestimmen lässt. Die Y-Achse ist ein für jedes Cannabinoid eigenes Fluoreszenzmaß; deshalb braucht man einen Standard als Orientierung, um zu wissen, welches Cannabinoid zu einem bestimmten Peak gehört.
Ich habe ziemlich lange gebraucht, um herauszufinden, wofür die ersten beiden Peaks der obigen Abbildung stehen, und musste bei Fachkollegen nachfragen. Sie haben mir erklärt, dass der erste Peak, der in der Abbildung keinen Namen hat, durch die Injektion der flüssigen Phase entsteht und aus den Molekülen besteht, die in der Säule nicht in Wechselwirkung treten. Er heißt Lösungsmittelfront (englisch solvent front).
Die Anfangszeit vor dem Peak der Lösungsmittelfront ist die Zeit, die diese mobile Phase braucht, um die Säule zu durchlaufen, und heißt Totvolumen (englisch dead volume).
Der zweite Peak, in der Abbildung „I.S“ genannt, ist der des Standards (englisch internal standard, IS); im Artikel wurde dafür 4-Androsten-3,17-dion (4-androstene-3,17-dione) verwendet. Der Peak dieser chemischen Verbindung im Chromatogramm dient als Referenz, um die Menge der Cannabinoide in der Probe zu berechnen.
Massenspektrometrie (MS): Bestimmung des Molekulargewichts von Cannabinoiden
Die Massenspektrometrie (MS, nach der englischen Abkürzung) trennt Teilchen wie Atome und Moleküle anhand des Verhältnisses ihrer Ladung zur Masse. Mit dieser Technik bestimmt man das Gewicht von Teilchen; sie ist ein Analysewerkzeug, das das Verhältnis von Masse zu Ladung (m/z) eines oder mehrerer Moleküle in der Probe misst.
Mit diesen Messwerten lässt sich das exakte Molekulargewicht der Bestandteile der Probe berechnen. Die Massenspektrometrie kann unbekannte Verbindungen anhand ihres Molekulargewichts identifizieren. Sie dient außerdem dazu, bekannte Verbindungen zu quantifizieren und die Struktur der enthaltenen Bestandteile und Moleküle zu bestimmen.
Die Kombination GC-MS: mehr Genauigkeit bei der Bestimmung von Cannabinoiden
Eine der heute meistgenutzten Techniken zur Bestimmung von Cannabinoiden ist die Kombination aus Gaschromatographie und Massenspektrometrie (GC-MS, nach der englischen Abkürzung).
Dabei wird die Fähigkeit der Gaschromatographie, die Bestandteile einer Probe zu trennen, mit der Fähigkeit der Massenspektrometrie verbunden, die einzelnen Bestandteile zu identifizieren und zu quantifizieren. Das Ergebnis ist sehr empfindlich und genau, wenn es darum geht, Menge und Art der Cannabinoide in der Probe zu messen.
Fazit …
Hier also die Grundlagen zu den verschiedenen Techniken, mit denen in der Cannabisbranche heute Cannabinoide gemessen werden. Falls unter den Lesern Chemiker sind: Ich würde gern wissen, was ihr von diesen Grundlagen der Chemie haltet.
Quellen
- Gul, W., et al., Determination of 11 cannabinoids in biomass and extracts of different varieties of Cannabis using high-performance liquid chromatography. Journal of AOAC International, 2015. 98(6): p. 1523-1528.
