Im „Team Bernstein“ analysieren Dr. Eike Kleine-Benne (l.) und Kollegin Yunyun Nie mit Dr. Oluwadayo O. Sonibare.
GERSTEL-PYRO vergrößert die Informationstiefe der Bernsteinanalytik.

Methylierung von Säuren unter Einsatz von Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH).

Materialanalytik: Bernstein

Echt oder unecht ?

Als Schmuck-, Kunst- und Heilstein erfreut sich Bernstein großer Beliebtheit. Ob es sich allerdings tatsächlich um Bernstein handelt, entscheidet neben Aussehen und Haptik vor allem das Alter. Das aber sieht man einem vermeintlichen Bernstein nicht an. Um seine Herkunft und Echtheit zu prüfen, braucht es vielmehr die instrumentelle Analytik. Die Gaschromatographie, gekoppelt an Thermodesorption und Pyrolyse, erweist sich als attraktive Ergänzung gängiger optischer Verfahren.

Mecklenburg-Vorpommern, Landkreis Vorpommern-Rügen. Auf halber Strecke zwischen den Hansestädten Rostock und Stralsund, wo der Fluss Recknitz in den Ribnitzer See mündet, liegt Ribnitz-Damgarten. Das rund 15.000 Einwohner zählende Städtchen ist ein ganz besonderer Ort, wie auf der städtischen Homepage [1] zu lesen ist: Seit 2009 trägt Ribnitz-Damgarten offiziell die Bezeichnung „Bernsteinstadt“. Grund dafür sind die im Stadtteil Damgarten gelegene Bernstein-Schaumanufaktur und das im Stadtteil Ribnitz beheimatete Deutsche Bernsteinmuseum. In Ribnitz-Damgarten gibt es eine Bernsteinmeile und eine Bernsteinkönigin, dort werden internationale Bernstein-Kunstwettbewerbe ausgetragen, wurde die mit 120 Metern längste Bernsteinkette geknüpft, lässt sich Bernsteinschmuck aller Couleur erwerben. Am nahegelegenen Ostseestrand kann der Besucher, preist die Homepage des Ortes, das „Gold des Meeres“ (gemeint ist Bernstein) auch selber suchen und – mit etwas Glück – finden, etwa am Boddenufer, wo, wie könnte es anders sein, die Sonne bernsteingolden untergeht.

Ob sich der Sucher letzten Endes eines Bernsteinfundes sicher sein kann, lässt sich laut Deutschem Bernsteinmuseum [2] an der Dichte des Fundes überprüfen. Folgende Versuchsanordnung wird hierzu empfohlen: „Stellen Sie zu Hause eine gesättigte Kochsalzlösung her (2 gehäufte Esslöffel Kochsalz in einem Glas auflösen). Darin schwimmt Bernstein, während Stein, Glas und manche Kunststoffe zu Boden sinken. Unter den verschiedenen Bernstein-Varianten ist der klare Bernstein am schwersten, der knochige am leichtesten.“ Weiter heißt es: „Größere Fundstücke können Sie auch an Wolle reiben, denn Bernstein lädt sich dadurch elektrostatisch auf und zieht kleine Papierschnipsel an.“ Darüber hinaus wird empfohlen, vorsichtig mit dem Fundstück an die Zähne zu tippen: „Bernstein klingt dumpf und verursacht kein unangenehmes Gefühl. Ein vermeintlicher Bernstein, ein gelber Kieselstein oder eine kleine braune Glasscherbe, klingen hell und die Berührung ist unangenehm. Bernstein fühlt sich genauso an, als wenn Sie mit dem Fingernagel Ihre Zähne berühren.“

Allerdings gilt es bei dieser Art der oralen Qualitätskontrolle achtsam zu sein, raten die Autoren, insbesondere auf der Insel Usedom, wo in der Gegend um Peenemünde herum immer wieder gelbliche Phosphorstücke aus Brandbomben des Zweiten Weltkrieges gefunden würden: „Transportieren Sie daher“, lautet die Devise, „vermeintliche Bernsteinstücke stets in einem Glasgefäß“. Und führen Sie bitte keines davon an die Zähne.

Johannes-Gutenberg-Universität, Mainz. Dr. Oluwadayo O. Sonibare und Prof. Thorsten Hoffmann vom Institut für anorganische und analytische Chemie sowie Prof. Stephen F. Foley von der Abteilung für Geowissenschaften und Erdsystemforschung untersuchen, wie sich die Herkunft von Bernstein exakt bestimmen lässt. Die Empfehlungen des Deutschen Bernsteinmuseums mögen in diesem Zusammenhang für den Hausgebrauch taugen, nicht aber für eine wissenschaftlich fundierte Untersuchung. Darum aber geht es den Forschern. Ihr Ziel ist es, die „molekulare Zusammensetzung und chemotaxonomische Aspekte von Eozän-Bernstein aus der Ameki-Formation in Nigeria“ aufzuklären [3].

Für die geochemische Charakterisierung und die biochemische Klassifizierung von Bernstein ist ihnen jedes analytisch probate und sinnvolle Mittel recht. Gefördert von der Alexander-von-Humboldt-Stiftung nutzen Sonibare und Kollegen unter anderem die in der Literatur der Bernsteinanalytik hinreichend beschriebene Infrarotspektroskopie und die Gaschromatographie mit massenselektiver Detektion (GC/MS), um die molekulare Zusammensetzung verschiedener fossiler Pflanzenharze zu bestimmen.

Was man von Bernstein weiß

Bernstein – auch Amber oder, mineralogisch, Succinit genannt – war ursprünglich ein Baumharz, das vor Millionen von Jahren aus Kiefern oder anderen Nadelhölzern ausgetreten und an der Luft hart geworden ist. Große Mengen des getrockneten Harzes gelangten ins Meer, sanken in tiefe Sedimentschichten ab, wurden von Staub, Sand und Gestein zugeschüttet und im Verlauf der Zeit unter Ausschluss von Luft und unter hohem Druck zu Bernstein verpresst. Die meisten Bernsteinfunde lassen sich zurückdatieren auf das Tertiär, sie sind also rund 55 Millionen Jahre alt; es gibt allerdings auch Vorkommen jüngeren Datums.

Um als Bernstein eingestuft werden zu können, braucht es wenigstens eine Million Jahre der Reifung. Der in der Ostsee zu findende baltische Bernstein ist einer der ältesten Bernsteine überhaupt. Gefunden wird Bernstein in vielen Ländern, etwa in England, Portugal, Spanien oder Italien, aber auch in Kanada, Mexiko, Japan, der Dominikanischen Republik, auf Madagaskar und Borneo. Bernstein „fasziniert durch die unterschiedliche Farbgebung, eine hohe Lichtbrechung und den goldgelben Glanz nach dem Polieren. Bernstein fühlt sich sinnlich und warm an, und er ist überraschend leicht. Man will ihn berühren, auf der Haut tragen, als Handschmeichler betasten. Noch heute sammeln die Menschen an der Ostseeküste Bernstein, dem auch eine heilende, schmerzstillende und beruhigende Wirkung nachgesagt wird.“ [4] Manchmal enthält Bernstein auch Millionen Jahre alte Fossileinschlüsse (Inklusen).

GERSTEL GmbH & Co. KG, Mülheim an der Ruhr. F&E-Projektleiter Dr. Eike Kleine-Benne und Kollegin Yunyun Nie sitzen mit Dr. Oluwadayo O. Sonibare am Konferenztisch und diskutieren über die Beschaffenheit von Bernstein und das Problem, echten Bernstein seinem Ursprungsort zuzuordnen sowie gefälschten Bernstein zu erkennen, kurz: über die Möglichkeiten einer Analyse der Zusammensetzung und der Bestimmung der spezifischen Eigenschaften von Bernstein. Bei der Auswahl der Analysentechnik erweist sich eine Detailbetrachtung des Probenmaterials als unerlässlich.

Alle Bernsteine gleichen sich darin, dass sie aus ein und demselben organischen Material bestehen: Harz, das vor langer Zeit aus einem Spenderbaum ausgeblutet und ausgehärtet ist. Bernstein wird auch als natürliches Polymer angesehen. Chemisch betrachtet ist Bernstein ein uneinheitliches Stoffgemisch. Der Begriff „Bernstein“ geht zurück auf die niederdeutsche Bezeichnung „bernen“, was so viel wie „brennen“ bedeutet. In der Tat ist Bernstein entzündlich und verbrennt mit stark aromatischem Geruch, was auch seine Karriere als Weihrauchersatz beflügelte.

Für Chemiker bekanntlich hochinteressant ist der Aspekt der Löslichkeit einer Substanz; Bernstein löst sich teilweise in Alkohol, Ether, Chloroform oder Terpentinöl. In gemahlener Form lädt sich das Material negativ auf und schmilzt bei 375 °C. Aufgrund der chemischen und physikalischen Eigenschaften erweist es sich als zielführend, Bernstein zunächst einer Pyrolyse mit anschließender Gaschromatographie der Pyrolysefragmente und deren massenselektiver Detektion zu unterziehen, um Erkenntnisse über seine Zusammensetzung und damit seine Art und Herkunft zu erhalten.

Blick auf weitere interessante chemisch-analytische Details

Die Fossilisation von Pflanzenharz, sagt Dr. Oluwadayo O. Sonibare, sei ein komplexer Reifungsprozess, der den Verlust flüchtiger Bestandteile sowie die Polymerisation und Vernetzung von Terpenoiden beinhalte und sich über die Dauer von bis zu 100 Millionen Jahren hinziehe. Bei Bernstein handle es sich um eine komplexe Mischung verschiedener Terpenoide (Mono-, Sesqui-, Di- und Triterpenoide), Naturstoffe also, die sich strukturell von Isopren ableiten. Im Unterschied zu Terpenen enthalten Terpenoide funktionelleGruppen. Das Wissen über die chemische Zusammensetzung eines Bernsteins sei nützlich, um einerseits natürlichen, sprich: echten Bernstein von Imitaten unterscheiden und andererseits seine Herkunft bestimmen oder weiterführende Studien betreiben zu können.

Wichtige Analysemethoden zwecks Charakterisierung von Bernstein sind die Infrarotspektroskopie (IR), die Ramanspektroskopie sowie die GC/MS-Analyse von Bernsteinextrakten beziehungsweise die Pyrolyse des Bernsteins selber mit anschließender GC/MS-Bestimmung. Die Infrarotspektroskopie (IR) werde eingesetzt, berichtet Dr. Eike Kleine-Benne, etwa um Ostseebernstein von anderen Bernsteinfunden zu unterscheiden. Wesentliches Unterscheidungsmerkmal bilde hierbei die sogenannte Baltische Schulter bei 1175 bis 1250 cm-1; dieses Merkmal wird mit Bernsteinsäure in Verbindung gebracht, die in Ostseebernstein auftritt, berichtet Dr. Kleine-Benne. Die IR-Methode stoße im Hinblick auf die Unterscheidung nach Art und Herkunft rasch an Grenzen, da die meisten Bernsteinarten ähnliche Muster zeigten, was die Identifikation von Individualmerkmalen erschwere. Ramanspektren wiederum seien nützlich für die Erfassung von Unterschieden im Reifeprozess von Bernstein, nicht aber um dessen geographische Herkunft zu bestimmen. Die GC/MS wiederum ermögliche nur eine molekular-strukturelle Aufklärung löslicher oder flüchtiger Bestandteile, die allerdings kaum mehr als 20 Prozent des gesamten Harzes ausmachten.

Anders die Pyrolyse-GC/MS, die, wie Dr. Eike Kleine-Benne erklärt, dem Nutzer die Möglichkeit biete, die polymeren Bestandteile, sprich: die nichtlöslichen und nichtflüchtigen Makromoleküle des Bernsteins, in individuelle Komponenten aufzuspalten, aufzutrennen und deren Molekularstruktur gemäß eindeutiger Kriterien im Massenspektrum zu identifizieren.

Mit der Pyrolyse-GC/MS auf Datenfang

Für die Untersuchung wurden Eozän-Bernsteinproben aus der Ameki-Formation in Nigeria verwendet, die vom Hunterian Museum der Universität Glasgow zur Verfügung gestellt wurden. Das Probenmaterial wurde zermahlen und in Portionen von je 200 μg für die Dauer von 20 Sekunden bei 480 °C pyrolysiert. Für die Pyrolyse-GC/MS verwendet wurde folgende Gerätekombination:

Agilent GC 6890N mit GERSTEL-KaltAufgabeSystem (KAS), GERSTEL-ThermalDesorptionUnit (TDU), GERSTELMultiPurposeSampler (MPS) und Agilent MSD 5975B Inert XL (Triple Axis). Die Pyrolyse an sich erfolgte unter Einsatz des GERSTEL-PYRO, eines speziellen Pyrolyse-Moduls, um das sich die GERSTEL-TDU im Handumdrehen erweitern lässt. Die TDU wurde im Split-Modus betrieben, um überschüssiges Lösemittel zu entfernen. Das KaltAufgabeSystem (KAS) wurde auf eine Temperatur von 300 °C eingestellt und als Heißsplit-Interface verwendet. Der GC wurde im Solvent-vent-Modus (1:20) betrieben und war mit einer ZB-5MS-Säule (30 m x 0,25 mm x 0,25 μm, Phenomenex) ausgestattet. Das Temperaturprogramm des GC-Ofens gestaltete sich wie folgt: 60 °C (2 min) – 6 °C/min – 300 °C (10 min). Helium wurde als Trägergas mit konstantem Fluss von 1 mL/min eingesetzt. Das Massenspektrometer wurde im Electron-Impact-(EI)-Ionisierungsmodus betrieben, wobei die Ionisierungsenergie auf 70 eV eingestellt wurde und die Quell- und Quadrupoltemperaturen auf 230 °C bzw. 150 °C gesetzt wurden. Vollscan-Massenspektren wurden über einen Massenbereich von m/z = 50-650 aufgezeichnet. Zur Akquisition und Bearbeitung der Daten wurde die ChemStation-Software von Agilent Technologies verwendet. Einzelne Verbindungen wurden durch Vergleich der Massenspektren mit MS-Bibliotheksdaten und Informationen aus der Literatur identifiziert.

Schritt für Schritt Erkenntnisgewinn

Zunächst erfolgte die reine Pyrolyse des gemahlenen Bernsteins. Im Chromatogramm ließen sich eine Reihe von in der Literatur beschriebenen Komponenten identifizieren, hier eine Reihe von Fettsäuren (FA), namentlich Norchrysanthemumsäure (FA I), Naphthalin-1-Carboxylsäure- 1,2,3,4,4a,7,8,8a-octahydro-1,4a,6-trimethyl (FA II), Naphthalin-1-Carboxylsäure-1,2,3,4,4a,7,8,8a-Octahydro-1,4a,5,6-Tetramethyl (FA III) und Naphthalin-1-Carboxylsäure-1,2,3,4,4a,5,8,8a-Octahydro-1,4a,6-Trimethyl-5-Methylen (FA V).

Um eine größere Informationstiefe zu erreichen, wurden die Bernsteinproben im Anschluss an die Pyrolyse-GC/MS unter Einsatz von Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH) in situ, sprich: während des 20 Sekunden dauernden Pyrolyseschritts, derivatisiert (methyliert); dieser Prozess wird auch als Thermochemolyse bezeichnet. Hierbei wurden die Fettsäuren in ihre korrespondierenden Fettsäuremethylester (FAMEs) umgewandelt: Norchrysanthemumsäuremethylester (FAME I), Naphthalin-1-Carboxylsäure-1,2,3,4,4a,7,8,8a-Octahydro-1,4a,6-Trimethylmethylester (FAME II), Naphthalin-1-Carboxylsäure-1,2,3,4,4a,7,8,8a-Octahydro-1,4a,5,6-Tetramethylmethylester (FAME III), Methyl-1,2,3,4-Tetrahydro-1,5,6-Trimethyl-1-Naphthalincarboxylat (FAME IV), Naphthalin-1-Carboxylsäure-1,2,3,4,4a,5,8,8a-Octahydro-1,4a,6-Trimethyl-5-methylenmethylester (FAME V) und Methyl-16,17-Dinorcallitrisat (FAME VI).

Vergleich der Chromatogramme nach Pyrolyse-GC/MS und Thermochemolyse-GC/MS von Eozän-Bernstein aus Nigeria. (FAME: Fettsäuremethylester, FA: Fettsäuren; eine detaillierte Beschreibung der jeweiligen FAMEs und FAs findet sich im Lauftext)

Den Unterschied zwischen der reinen Pyrolyse und dem Schritt der Thermochemolyse erläutert Dr. Eike Kleine-Benne wie folgt: „Im Pyrolyse-Chromatogramm sind die Peaks von FA (I), FA (II), FA (III) und FA (V) breit, sie zeigen teilweise eine Sägezahnform, ein typisches Phänomen für polare Fettsäuren, die auf einer nichtpolaren Säule getrennt werden. Im Gegensatz dazu eluieren die korrespondierenden methylierten Verbindungen FAME (I), FAME (II), FAME (III) und FAME (V) im Thermochemolyse-Chromatogramm als gut aufgelöste scharfe Peaks. FAME (IV) und FAME (VI) konnten nur im Thermochemolyse-Chromatogramm identifiziert werden. Es ist deutlich erkennbar, dass Pyrolyse mit TMAH detailliertere Informationen zur Probe liefert.“

Wie Dr. Oluwadayo O. Sonibare berichtet, liefert eine vorhergehende Studie die ersten verfügbaren Informationen zur molekularen Zusammensetzung fossiler Harze der Eozän-Ameki-Formation in Nigeria. Pyrolyse-GC/MS-Analysen wiesen deutlich darauf hin, dass der Bernstein zur Klasse Ib gehört, die von regulären Labdatrien-Strukturen abgeleitet ist, denen es an Bernsteinsäure mangelt.

Die Pyrolyseprodukte des Bernsteins werden dominiert von labdanartigen Diterpenoiden und einigen Sesquiterpenoiden. Die ausschließliche Präsenz von labdanen Diterpenoiden bei Abwesenheit pflanzlicher Triterpenoide im Bernstein deutet auf eine Herkunft dieses Harzes aus einem Nadelgewächs (Nacktsamer) hin.

Womit Dr. Oluwadayo O. Sonibare, Prof. Thorsten Hoffmann und Prof. Stephen F. Foley von der Johannes-Gutenberg-Universität in Mainz ein Werkzeug an die Hand bekamen, das ihnen hilft, Bernstein seinem Ursprung zuzuordnen und darüber hinaus weitreichende Informationen für ihre Bernsteinforschung lieferte: Neue Untersuchungsergebnisse wurden kürzlich im Journal of Analytical and Applied Pyrolysis [5] publiziert.

 

Literatur

[1] www.ribnitz-damgarten.de/de/die-bernsteinstadt/ueber-den-bernstein (25. April 2014)
[2] www.deutsches-bernsteinmuseum.de (25. April 2014)
[3] O. O. Sonibare, T. Hoffmann, S. F. Foley: "Molecular composition and chemotaxonomic aspects of Eocene amber from the Ameki Formation, Nigeria", Organic Geochemistry 51 (2012) 55–62
[4] www.planet-wissen.de/natur_technik/schmuck/faszination_bernstein (25. April 2014)
[5] O. O. Sonibare, R.-J. Huang, D. E. Jacob, Y. Nie, E. Kleine-Benne, T. Hoffmann, S. F. Foley, "Terpenoid composition and chemotaxonomic aspects of Miocene amber from the Koroglu Mountains, Turkey", Journal of Analytical and Applied Pyrolysis 105 (2014) 100-107