TY - JOUR A1 - Wander, Lukas A1 - Vianello, A. A1 - Vollertsen, J. A1 - Westad, F. A1 - Braun, Ulrike A1 - Paul, Andrea T1 - Exploratory analysis of hyperspectral FTIR data obtained from environmental microplastics samples N2 - Hyperspectral imaging of environmental samples with infrared microscopes is one of the preferred methods to find and characterize microplastics. Particles can be quantified in terms of number, size and size distribution. Their shape can be studied and the substances can be identified. Interpretation of the collected spectra is a typical problem encountered during the analysis. The image datasets are large and contain spectra of countless particles of natural and synthetic origin. To supplement existing Analysis pipelines, exploratory multivariate data analysis was tested on two independent datasets. Dimensionality reduction with principal component analysis (PCA) and uniform manifold approximation and projection (UMAP) was used as a core concept. It allowed for improved visual accessibility of the data and created a chemical two-dimensional image of the sample. Spectra belonging to particles could be separated from blank spectra, reducing the amount of data significantly. Selected spectra were further studied, also applying PCA and UMAP. Groups of similar spectra were identified by cluster analysis using k-means, density based, and interactive manual clustering. Most clusters could be assigned to chemical species based on reference spectra. While the results support findings obtained with a ‘targeted analysis’ based on automated library search, exploratory analysis points the attention towards the group of unidientified spectra that remained and are otherwise easily overlooked. KW - Microplastics KW - FTIR KW - Exploratory analysis PY - 2020 U6 - https://doi.org/10.1039/c9ay02483b VL - 12 IS - 6 SP - 781 EP - 791 PB - Royal Society of Chemistry AN - OPUS4-50396 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Wander, Lukas A1 - Vianello, A. A1 - Vollertsen, J. A1 - Braun, Ulrike A1 - Paul, Andrea T1 - Multivariate analysis of large µ-FTIR datasets in search of microplastics N2 - µ-FTIR spectroscopy is a widely used technique in microplastics research. It allows to simultaneously characterize the material of the small particles, fibers or fragments, and to specify their size distribution and shape. Modern detectors offer the possibility to perform two-dimensional imaging of the sample providing detailed information. However, datasets are often too large for manual evaluation calling for automated microplastic identification. Library search based on the comparison with known reference spectra has been proposed to solve this problem. To supplement this ‘targeted analysis’, an exploratory approach was tested. Principal component analysis (PCA) was used to drastically reduce the size of the data set while maintaining the significant information. Groups of similar spectra in the prepared data set were identified with cluster analysis. Members of different clusters could be assigned to different polymer types whereas the variation observed within a cluster gives a hint on the chemical variability of microplastics of the same type. Spectra labeled according to the respective cluster can be used for supervised learning. The obtained classification was tested on an independent data set and results were compared to the spectral library search approach. T2 - CEST 2019 CY - Rhodes, Greece DA - 04.09.2019 KW - FTIR KW - Microplastics KW - Multivariate data analysis PY - 2019 AN - OPUS4-48889 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Wander, Lukas A1 - Vianello, A. A1 - Braun, Ulrike A1 - Vollertsen, J. A1 - Paul, Andrea T1 - Analyzing large μ-FTIR data sets in search of microplastics N2 - Working towards a comprehensive understanding of introduction pathways, number, and fate of micro¬plastics in the environment, suitable analytical methods are a precondition. Micro-spectroscopic methods are probably the most widely used techniques. Besides their ability to measure single spectra of a particle or fiber, most modern FTIR- and Raman microscopes are also capable of two-dimensional imaging. This is very appealing to microplastics research because it allows to simultaneously characterize the analytes chemically as well as their size (distribution) and shape. Two-dimensional imaging on extensive sample areas with FTIR-micros¬copes is facilitated by focal plane array (FPA) detectors resulting in large data sets comprised of up to several million spectra. With numbers too large for manual inspection of each individual spectrum, automated data evaluation is inevitable. Identifying different polymers based on the comparison with known reference spectra (library search) has proven to be a suitable approach. For that purpose, FTIR-spectra of common plastics can be collected to create an individual reference library. To Supplement this ‘targeted analysis’, looking for known substances via library search, an exploratory approach was tested. Principal component analysis (PCA) proved to be a helpful tool to drastically reduce the size of the data set while maintaining the significant information. Subsequently, cluster analysis was used to find groups of similar spectra. Spectra found in different clusters could be assigned to different polymer types. The variation observed within clusters gives a hint on chemical variability of microplastics of the same polymer found in the sample. Spectra labeled according to the respective cluster/polymer type were used to build a classification model which allowed to quickly predict the polymer type based on the FTIR spectrum. Classification was tested on a second, independent data set and results were compared to the spectral library search procedure. T2 - ANAKON 2019 CY - Münster, Germany DA - 25.03.2019 KW - Microplastics KW - FTIR KW - Principal component analysis (PCA) PY - 2019 AN - OPUS4-47658 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - RPRT A1 - Altmann, Korinna A1 - Abusafia, A A1 - Bannick, C-G A1 - Braun, U A1 - Crasselt, Claudia A1 - Dittmar, S A1 - Fuchs, M A1 - Gehde, M A1 - Hagendorf, C A1 - Heller, C A1 - Herper, D A1 - Heymann, S A1 - Kerndorff, A A1 - Knefel, M A1 - Jekel, M A1 - Lelonek, M A1 - Lunkenbein, T A1 - Obermaier, N A1 - Manhart, M A1 - Meurer, Maren A1 - Miclea, P-T A1 - Paul, A A1 - Richter, S A1 - Ricking, M A1 - Rohner, C A1 - Ruhl, A A1 - Sakai, Y A1 - Saravia Arzabe, C A1 - Scheid, C A1 - Schmitt, M A1 - Schnarr, M A1 - Schwertfirm, F A1 - Steinmetz, H A1 - Wander, Lukas A1 - Wiesner, Yosri A1 - Zechmeister, L T1 - RUSEKU - Repräsentative Untersuchungsstrategien für ein integratives Systemverständnis von spezifischen Einträgen von Kunststoffen in die Umwelt : Abschlussbericht N2 - Im Verbundprojekt RUSEKU wurde die Probenahme von Wasserproben entscheidend weiterentwickelt. Wichtig ist hierbei zu gewährleisten, dass genügend Merkmalsträger in jeder Probe untersucht werden. Es muss daher eine für den Probenahmeort repräsentative Beprobung hinsichtlich des Wasservolumens in Abhängigkeit der Partikelanzahl gewährleistet sein. Das Hauptaugenmerk lag im vorliegenden Projekt auf einer praxisnahen Beprobungsstrategie. Es wurden verschiedene Konzepte ausprobiert. • Grundsätzlich hat sich gezeigt, dass eine Stichprobe eine Momentaufnahme des MP-Massengehaltes zeigt. Es wird eine hohe Statistik, also eine Vielzahl an Messungen am gleichen Probenahmeort, benötigt, um eine valide Aussage über den MP-Gehalt zu machen. • Es zeigt sich, dass eine integrale Probenahme über mehrere Wochen mit dem SK routinemäßig möglich ist. Die erfassten MP-Massen sind reproduzierbar und robust. • Die DFZ ist für Stichproben geeignet. Partikel < 50 µm werden eventuell unterschätzt • Die fraktionierte Filtration kann für Stich- und Mischproben direkt im Feld genutzt werden. Fraktionen von 10 und 5 µm werden später im Labor Vakuum filtriert. Es erfolgt eine Fraktionierung der Probe mit Siebmaschenweiten von 1000, 500, 100, 50, 10 und 5 µm. • Die fraktionierte Filtration kann auch anschließend an die Beprobung mit dem SK zur Anwendung kommen. Wird die mit dem SK gewonnene Wasserprobe fraktioniert filtriert, kann neben einem MP-Gesamtgehalt auch eine Einschätzung über die Partikelgrößen gewonnen werden. • Für Wässer mit geringen Partikelzahlen wurde ein Messfiltertiegel entwickelt. Dieser hat eine Maschenweite von 6 µm. Seine Anwendung kann mögliche Verluste beim Transferieren vom Probenahmetool zum Messgefäß und mögliche Kontaminationen reduzieren. Die Optimierung der Probenahmestrategie wurde durch Modellversuche und Simulationen unterstützt. Modellversuche zum Sinkverhalten und Simulationen von MP in realen Gewässern verdeutlichten das komplexe Verhalten der Partikel. Es konnte gezeigt werden, dass Partikel ab einer bestimmten Größe (und kleiner) bei genügend starker Turbulenz sich in der Wassersäule unabhängig von ihrer Dichte verhalten und so auch MP mit kleiner Dichte (z.B. PE) in der gesamten Wassersäule zu finden sind. Es konnte mit dem TEM die Existenz von NP gezeigt werden. Ein wesentlicher Aspekt des RUSEKU Projektes war die Beprobung realer Kompartimente. Beprobt wurde neben Oberflächengewässern, das urbane Abwassersystem der Stadt Kaiserslautern, Waschmaschinenabwasser und Flaschenwasser. • In Oberflächengewässern wurde hauptsächlich PE gefunden. Je nach Probe und Gewässer konnten auch PP, PS, PET, PA, SBR und Acrylate nachgewiesen werden. • Im urbanen Abwassersystem der Stadt Kaiserslautern konnte an allen Probenahmestandorten MP nachgewiesen werden. Es wurde hauptsächlich PE, neben geringeren Mengen an PP, PS und SBR gefunden. Nach einem Regenereignis war der SBR Anteil deutlich erhöht. • Die Beprobung eines realen Wäschepostens, bestehend aus T-Shirts und Hemden mit PA/CO oder PES/CO Mischgewebe, zeigte einen PA- und PES-Austrag im Waschwasser. Der überwiegende Teil der detektierten Fasern ist aber auf Baumwolle zurückzuführen. Reine gravimetrische Messungen zur Detektion von MP führen zu einer starken Überschätzung. • In Flaschenwasser (PET-Flaschen) konnte MP detektiert werden. PET wurde nur im stillen Mineralwasser, nicht in Mineralwasser mit Kohlensäure gefunden werden. Teilweise wurde auch das MP-Material des Verschlusses im Wasser detektiert. • Für Luftproben konnte ein Aufbau zur größenselektiven Beprobung getestet werden. Neben der Probenahme hat das Projekt auch gezeigt, dass die TED-GC/MS geeignet für die MP-Detektion im Routinebetrieb ist. Die TED-GC/MS konnte weiter optimiert werden. Es wurden MP-Massen bestimmt. Im Projekt wurden erste realitätsnahe Referenzmaterialien für die MP Detektion hergestellt. Die Herstellung von realitätsnahen Polymeren in ausreichender Homogenität und Menge hat sich als große Herausforderung herausgestellt. KW - Mikroplastik KW - Probennahme KW - TED-GC/MS KW - Fraktionierte Filtration KW - Mikroplastikreferenzmaterial PY - 2022 SP - 1 EP - 201 AN - OPUS4-57800 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER -