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Mikroplastikanalyse: Nahinfrarotspektroskopie und chemometrische Auswertung

  • Für die Erfassung der Verbreitung von Mikroplastik (MP) in der Umwelt ist die zeit- und kostenaufwendige Analysestrategie und der damit verbundene geringe Probendurchsatz eine limitierende Größe. Eine große Zahl verschiedener Studien dokumentriet das Auftreten von MP über den gesamten Globus. Meist sind die Studien aufgrund des großen analytischen Aufwands auf exemplarische, stichpunktartige Untersuchungen kleiner Umweltaliquoten und zahlenmäßig kleiner Probenumfänge begrenzt. Um die Verbreitung, die Eintragspfade und den Verbleib von MP in der Umwelt besser zu verstehen und effektive Vermeidungsstrategien abzuleiten, ist es jedoch notwendig, analytisch mehr Proben erfassen zu können. Bildgebende mikro-spektroskopische Methoden wie das Raman- und FTIR-Imaging ermöglichen eine zeitaufwendige, umfassende Charakterisierung kleiner Umwelt-aliquoten. Neben der Partikelanzahl sind zusätzlich Informationen zu Partikelgröße, Größenverteilung und OberflächenmorphologieFür die Erfassung der Verbreitung von Mikroplastik (MP) in der Umwelt ist die zeit- und kostenaufwendige Analysestrategie und der damit verbundene geringe Probendurchsatz eine limitierende Größe. Eine große Zahl verschiedener Studien dokumentriet das Auftreten von MP über den gesamten Globus. Meist sind die Studien aufgrund des großen analytischen Aufwands auf exemplarische, stichpunktartige Untersuchungen kleiner Umweltaliquoten und zahlenmäßig kleiner Probenumfänge begrenzt. Um die Verbreitung, die Eintragspfade und den Verbleib von MP in der Umwelt besser zu verstehen und effektive Vermeidungsstrategien abzuleiten, ist es jedoch notwendig, analytisch mehr Proben erfassen zu können. Bildgebende mikro-spektroskopische Methoden wie das Raman- und FTIR-Imaging ermöglichen eine zeitaufwendige, umfassende Charakterisierung kleiner Umwelt-aliquoten. Neben der Partikelanzahl sind zusätzlich Informationen zu Partikelgröße, Größenverteilung und Oberflächenmorphologie zugänglich. Chemische und thermische Extraktionsverfahren sind bereits deutlich schneller und können diese Informationen durch eine Massenbilanz vervollständigen. Die analysierbare Probenmenge ist jedoch auf Milligramm Mengen beschränkt. Wir schlagen daher vor, die Analyse von Proben auf MP durch ein vorangestelltes Screening mit der Nahinfrarot-Spektroskopie (NIRS) zur komplementieren. In diesem wird bereits eine erste Einschätzung über die Präsenz von MP in einer Probe gefällt und dadurch die wertvolle Messzeit anderer Methoden effizienter genutzt. NIR zur Analyse von Polymeren wird seit langem eingesetzt, jedoch bisher lediglich im Rahmen einer Studie zur Mikroplastikuntersuchung mittels Hyperspektraler Bildgebung beschrieben. Der NIR Spektralbereich findet sich zwischen dem sichtbaren Licht und dem mittleren Infrarot (MIR). MIR Spektren sind durch klar definierte Banden charakterisiert, welche mehrheitlich von den Grundschwingungen der Moleküle stammen. Die höheren Energien im nahen Infrarot regen hingegen Kombinations- und Oberschwingungen der Streck und Biegeschwingungen an. Die resultierenden Absorptions¬banden sind oft breit und relativ unspezifisch. Erst mit Hilfe einer computergestützten Datenauswertung lassen sich aus diesen Spektren nützliche Informationen gewinnen. Dies erklärt die steigende Popularität der NIR-Spektroskopie in der jüngeren Vergangenheit mit einem Schwerpunkt als prozessanalytische Methode. NIR Spektrometer für das industrielle Prozessmonitoring zeichnen sich durch eine kompakte und robuste Konstruktionsweise aus. Die verfügbaren faseroptischen Reflexionssonden eignen sich gut um pulverförmige Proben zu untersuchen. Der räumlich erfassbare Messbereich kann durch die Sondengeometrie variiert werden. Sind die untersuchten Partikel im Verhältnis zur abgetasteten Fläche klein, wird als spektrale Information die Summe der Absorption aller Partikel im Sichtfeld erfasst. Die Methode ist deshalb nicht für Detailuntersuchungen von MP geeignet, erlaubt es jedoch innerhalb weniger Minuten eine Einschätzung über das Vorkommen von Mikroplastik in einer Probe zu treffen. Exemplarisch wurden für diese Untersuchungen vier der am weitesten verbreiteten Kunststoffe Polyethylen (PE), Polyethylen¬terephthalat (PET), Polypropylen (PP) und Polystyrol (PS) gewählt. Aus den additivfreien Polymeren wurden nach einer Kryo-vermahlung und anschließender Siebung (< 125 µm) Modellproben generiert. Die Polymere wurden dafür zu einem Massenanteil von 1 % mit einem Standardboden (LUFA2.3, gesiebt < 125 µm) vermischt. Die Gesamtmenge von 1 g je Probe wurde in Aluminiumbehältern präpariert und 8 Messungen an unterschiedlichen, zufällig gewählten Positionen vorgenommen. Die erhaltenen Spektren wurden zur Kalibrierung chemometrischer Modelle genutzt. In einem hierarchischen Ansatz wurde anhand der NIR-Spektren eine Klassifizierung vorgenommen: 1. Bestimmung ob eine Probe MP enthält (Ja/Nein). 2. Identifikation der Polymere in der Probe. Eine aussagekräftige Klassifizierung beruht auf einer Vorbehandlung der Spektren. Hierdurch werden die Unterschiede zwischen den einzelnen Polymer-banden hervorgehoben. Die Eignung der so erstellten Modelle wurde anhand eines Referenzmaterials und am Beispiel von Realproben erfolgreich getestet. Dabei zeigte sich, dass nicht nur in den erstellten Polymer-Bodenmischungen, sondern auch in den Rückständen von fermentiertem Bioabfall und in Filterrückständen einer Wasch-maschine, MP richtig erkannt wurde. Weiterhin zeigten Tests mit Mikroplastik-freien Bodenproben unterschiedlicher Herkunft, dass keine falsch-positive Resultate erzeugt wurden. Alle vier untersuchten Polymere, d.h. PE, PET, PS und PP mit einem Massenanteil von 1 % in einer Bodenmatrix werden auch bei einer gemischten Polymer¬zu¬sammen¬setzung mit der NIR-Spektroskopie erkannt. Der kombinierte Einsatz von NIRS und Chemometrie ermöglicht die Entscheidung über ein potenzielles Vorkommen sowie die Zuordnung des Materials der enthaltenen Polymerpartikel für eine Massefraktion ≥ 1 % in einer (trockenen) Probenmenge von 1 g innerhalb von 10–15 min. Der zeitaufwendige Schritt der Methode liegt hier in der Erstellung geeigneter chemometrischer Modelle sowie deren Validierung. Wesentliche Voraus¬setzung ist dabei, dass bei der Kalibrierung die Varianz der zu erwartenden Partikel und der Matrix realistisch abgebildet wird.zeige mehrzeige weniger

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  • 2018-04-27_Papenburg_zweispaltig_v2_final.pdf
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Metadaten
Autoren/innen:Lukas Wander
Koautoren/innen:Ulrike Braun, Roland Becker, Michael Maiwald, Andrea Paul
Dokumenttyp:Posterpräsentation
Veröffentlichungsform:Präsentation
Sprache:Deutsch
Jahr der Erstveröffentlichung:2018
Organisationseinheit der BAM:1 Analytische Chemie; Referenzmaterialien
1 Analytische Chemie; Referenzmaterialien / 1.4 Prozessanalytik
5 Werkstofftechnik
5 Werkstofftechnik / 5.3 Mechanik der Polymerwerkstoffe
DDC-Klassifikation:Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / Ingenieurwissenschaften / Sanitär- und Kommunaltechnik; Umwelttechnik
Freie Schlagwörter:Boden; Chemometrie; Mikroplastik; Nahinfrarotspektroskopie
Themenfelder/Aktivitätsfelder der BAM:Umwelt
Umwelt / Umweltschadstoffe
Veranstaltung:GDCh Jahrestagung der Wasserchemischen Gesellschaft
Veranstaltungsort:Papenburg, Ems, Germany
Beginndatum der Veranstaltung:07.05.2018
Enddatum der Veranstaltung:09.05.2018
Verfügbarkeit des Volltexts:Volltext-PDF im Netzwerk der BAM verfügbar ("Closed Access")
Datum der Freischaltung:15.05.2018
Referierte Publikation:Nein