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AK Umweltmonitoring (Environmental Monitoring)

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Tätigkeitsberichte

November 2012: In Vertretung von Dr. Heinz Rüdel informierte Dr. Albrecht Paschke auf der Mitgliederversammlung der Fachgruppe am 12.09.12 in Leipzig u.a., dass im August 2012 ca. 60 Personen durch die GDCh in einer Infomail angesprochen wurden, aktive Mitglieder des AK zu werden. 2013 stehen die Neuwahlen des Vorstands stehen an. Herr Dr. Rüdel (Fraunhofer IME), Herr Prof. Schröder (Hochschule Vechta) und Herr Dr. von der Trenck (LUBW) stehen zur Wiederwahl. Herr Prof. Wiesmüller sieht auf Grund gestiegener beruflicher Verpflichtungen keine Möglichkeit mehr zur Wiederkandidatur. Weitere Kandidaten sind willkommen. Mehr Mitt Umweltchem Ökotox 4/ 2012

Schwerpunktthema: Analytik von Nanopartikeln in komplexen Medien

Präsentation von Dr. Frank von der Kammer, Leiter der Gruppe Nanogeo-wissenschaften und des Kolloidlabors, Universität Wien zur 15. Sitzung des AK Umweltmonitoring am 27.11.2009 beim Umweltbundesamt, Bismarckplatz 1, 14195 Berlin

Zunächst geht Herr von der Kammer auf die Definition von Nanomaterialien ein. Die-se erfolgt über die Größe (< 100 nm für mindestens eine Dimension), die gewählte starre Grenze ist aber nicht unbedingt sinnvoll. In der Umwelt sind neben den tech-nisch hergestellten Nanopartikeln (engineered nano particles, ENP) auch natürliche NP präsent. Von der Größe her sind natürliche NP eine Unterfraktion der als Kolloide bezeichneten Partikel, die einen Größenbereich von 1 - 1000 nm umfassen. Im Un-terschied zu den natürlichen NP sind die technisch hergestellten allerdings meistens sehr gleichförmig. In Umweltmedien liegen die NP zumeist nicht als freie Partikel vor, sondern als aggregierte Cluster. Je nach Bedingungen können sich größere oder kleinere Aggregate bilden, auch gemischte, z.B. mit Biopolymeren oder anorga-nischen Partikeln. Auch können sich ENP in der Umwelt verändern (z.B. Zink-NP, die sich lösen, oder funktionalisierte NP, bei denen die Oberflächenbeschichtung, das „coating“, abgebaut werden kann).

Die Umweltrelevanz von Kolloiden wird seit 1989 diskutiert, da sie Träger von Konta-minanten sein können (McCarthy und Zachara: Subsurface transport of contami-nants. Environ. Sci Technol 1989, 23:496-502; link). Untersuchungen zur Umwelt-relevanz technischer NP gibt es erst seit einigen Jahren. Vor ca. fünf Jahren wurden erste Untersuchungen zur Wirkung von ENP auf Organismen bekannt (z.B. zur Fischtoxizität). Die Analytik von ENP in komplexen Matrices ist bislang nur in Ansätzen erfolgreich. Herr von der Kammer verweist in diesem Zusammenhang auf eine Stellungnahme der EU-Lebensmittelbehörde EFSA zur Analytik von ENP in Lebensmitteln (link). Dieses Defizit ist auch Hintergrund für ein EU-Projekt an dem die Universität Wien beteiligt ist und in dem entsprechende Routinemethoden entwickelt werden sollen.

In situ-Verfahren zur Untersuchung von NP stehen bislang nicht zur Verfügung, so dass vor der Messung jeweils eine mehr oder weniger stark die ursprünglichen Verhältnisse ändernde Probenvorbereitung erforderlich ist. Je nach Fragestellung müssen die NP in der Probe stabilisiert werden, evtl. vor-fraktioniert und schließlich angereicht werden.

Bildgebende Verfahren wie die Elektronenmikroskopie sind sehr hilfreich für die Untersuchung von NP, wie Herr von der Kammer an einer Reihe von Beispielen eindrucksvoll zeigt. Allerdings ist die Methodik nicht als „Goldstandard“ geeignet, da bei der Präparation leicht Artefakte entstehen können und die Auswertung subjektiv ist. Bei EM-Untersuchungen können mit geeigneten Geräten auch Elemente in den Partikeln analysiert werden (EDX, energy dispersive X-ray spectroscopy). Mittels dieser Methodik konnten Kaegi et al. (Environ Pollut 2008) z.B. synthetische Titan-dioxid-NP aus Farben in Fassadenabläufen nachweisen oder Kiser et al. (ES&T 2009) Titandioxid-NP in Klärschlamm.

Als aussichtsreich wird die Untersuchung mit der ‚laser induced breakdown spectro-metry’ (LIBD; Messprinzip: Plasmaanregung und Atomemissionsspektrometrie; link) angesehen. Weitere Verfahren, die für den entsprechenden Größenbereich der NP geeignet sind: atomic force microscopy, flow-field flow fractionation, Lichtstreuungs-methoden (dynamic light scattering, DLS), Streuung von Röntgenstrahlen und Neu-tronen. Auch die Ultrafiltration oder Trennungen über die Dichte (Sedimentation/Zen-trifugation) können für einige Fragestellungen sinnvoll sein. Eine lichtmikroskopische Technik, die für bestimmte Zwecke genutzt werden kann, ist die nanoparticle tracking analysis (NTA). Hier wird in Suspensionen über die Diffusionsbewegung der NP deren Größenverteilung (ab ca. 20-40 nm) und Konzentration berechnet.

Die Wahl der geeigneten Methode hängt vom jeweiligen Untersuchungsziel ab. Sol-len ENP nur qualitativ detektiert oder identifiziert werden, sollen sie quantifiziert wer-den oder soll eine weitergehende Charakterisierung über sein Set von Parametern erfolgen? Bei der Quantifizierung stellt sich die Frage, was genau bestimmt werden soll: z.B. die Anzahl bzw. Konzentration der NP, die Art bzw. chemische Zusammen-setzung (z.B. natürliche NP/ENP; Kohlenstoff-basierte/metallische NP; evtl. funk-tionalisierte NP), die Größe bzw. Größenverteilung, der Agglomerationsgrad, die Form, die Oberfläche (bislang nur bei Feststoffen messbar mittels Gasadsorption mit dem BET-Verfahren nach Brunauer, Emmett und Teller), die Oberflächenladung (z.B. als zeta-Potential), das Porenvolumen? Dabei zeichnet sich ab, dass eine einzelne Methode für eine umfassende Untersuchung nicht ausreichend ist. Herr von der Kammer erläutert, dass bestimmte Methoden auch nur optimal für relativ homogene Mischungen von NP sind (z.B. Lichtstreuung, wo messtechnisch bedingt große Par-tikel die Untersuchung kleinerer NP stören). Die für NP bestimmte Partikelform hängt auch stark von der eingesetzten Mess- bzw. Auswertemethode ab (insbesondere bei unregelmäßigen Partikelformen nur Näherungen).

Ein anderer Aspekt, der Untersuchungen von NP kompliziert ist, das auch eine repräsentative Probenahme, die die NP-Verteilung und Agglomeration nicht ver-ändert, aus Matrices wie Boden, Sediment oder Klärschlamm schwierig ist.
Im Folgenden geht Herr von der Kammer näher auf die asymmetric flow-field flow fractionation (Asymmetrische Fluss-Feldflussfraktionierung, AF4) ein. Diese Technik zur Größenauftrennung von Partikeln hat ein großes Potential, da an die Trennkam-mer verschiedene Detektoren gekoppelt werden können, die eine umfassende Cha-rakterisierung der entsprechend ihrer Größe aufgetrennten NP erlauben (z.B. UV, Fluoreszenz, DLS, ICP-MS, TOF-MS). Durch Kopplung von Flow-FFF und single particle ICP-MS konnten z.B. in Straßenabflusswasser Platin-Partikel aus Autoab-gas-Katalysatoren und Wolfram-Partikel aus Reifenabrieb nachgewiesen werden. Die Platin-NP waren dabei nicht im Transmissions-EM erkennbar, da sie nur in sehr geringer Konzentration vorlagen.

Zum Abschluss zeigt Herr von der Kammer eine Reihe von Beispielen, die die Mög-lichkeiten der verschiedenen Methoden darlegen. Sein Fazit ist, dass weitere Unter-suchungen klären müssen, welches die kritischen Parameter der Umweltrelevanz von NP sind, dass methodenorientierte Untersuchungsansätze erforderlich sind, und dass die verschiedenen Methoden komplementär eingesetzt werden sollten.

In der Diskussion zeigte sich, dass einige Kollegen an einem weiteren Austausch von Informationen zur Analytik von ENP sowie auch an gemeinsamen Verfahrensentwicklungen interessiert sind. Herr von der Kammer weist noch auf den Fachausschuss „Aquatic Nanoscience and Nanotechnology“ der Wasserchemischen Gesellschaft hin, den er leitet.

 

zuletzt geändert am: 22.01.2014 - 14:32 Uhr von M.Kudra