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There is growing interest in quantifying microplastics in environmental samples. This application note presents a thermal extraction desorption-gas chromatography/mass spectrometry (TED-GC/MS) method that is well suited to automation and increased sample throughput. The method is also able to detect all particle sizes in the sample as long as the limit of detection (LOD) is reached and allows analysis of larger samples of 15 to 25 mg or more. Samples were decomposed by thermogravimetric analysis (TGA), and the gaseous decomposition products were trapped on a solid-phase sorbent, followed by thermal desorption‑gas chromatography/mass spectrometry (TD-GC/MS) using an Agilent 5977B GC/MSD coupled to an Agilent 7890B GC. Target microplastic particle (MP) polymers were identified in environmental samples including surface water, finished compost, house dust, and drinking water. Quantification of MP polymers in environmental samples provided LODs of 0.06 to 2.2 μg, allowing the detection of MPs in trace amounts with sample weights of up to 1 g. Method repeatability was adequate for reliable quantification with RSDs of approximately 6 to 12%.
Durch den stetig steigenden Einsatz von Plastikprodukten sind unerwünschte Kunststofffunde in verschiedenen Umweltmatrices mittlerweile allgegenwärtig. Besonderes Interesse erfahren die Kunststoffpartikel von einer Größe kleiner 5 mm, sogenannte Mikroplastik (MP) Partikel. Es werden aktuell Risiken für Mensch und Umwelt diskutiert, die von diesen Partikeln ausgehen.
Der Fänger im Spülgas
(2015)
Die Anwendung thermoanalytischer Methoden für die Polymercharakterisierung hat aufgrund der makromolekularen Struktur von Polymere Vorteile. Es wurden zwei neue thermoanalyti-sche Verfahren entwickelt und deren Einsatz anhand von Anendungsbeispielen demons-triert, sowie mit etablierten, thermoanalytischen Methoden verglichen.
Für die thermische- und thermo-oxidative Zersetzungsgasanalytik wurde die Thermogravi-metrie (TGA) gekoppelt mit der Thermodesoptions-Gaschromatographie-Massenspektrometrie (TDS-GC-MS). Die Zersetzungsgase der TGA wurden dafür über ei-nen Festphasenadsorber geleitet, auf dem eine repräsentative Auswahl von polymerspezifi-schen Analyten adsorbiert wurde. Die thermische Extraktion der Analyten erfolgte in der TDS-GC-MS. Dies ermöglichte die Trennung der Analyten sowie die eindeutige Identifizie-rung mittels charakteristischer Massenfragmentmuster. Sie wurde als TED-GC-MS bezeichnet. Es stellte sich heraus, dass sie sich besonders für die Analyse von komplexen Kohlen-wasserstoffgemischen mit Molmassen von mehr als 100 g/mol eignet. In Kombination mit anderen Kopplungstechniken wie beispielsweise die TGA-FTIR/MS, die speziell für die Ana-lyse von kleineren Molekülen verwendet wurde, konnten neue grundlegende Zersetzungs-mechanismen entwickelt werden. Es wurde beispielsweise sichtbar, dass sowohl bei der thermischen als auch bei der thermo-oxidativen Degradation von Polyamid 66 (PA 66) Kon-densationsreaktionen eine wichtige Rolle spielen. Die Methode erwies sich darüber hinaus als besonders geeignet für die Identifizierung und Quantifizierung von Polymeren in Umweltproben. Es entstand dazu eine erste grundlegende Arbeit für die quantitative Bestimmung von Polyethylen (PE) Mikroplastik in Umweltproben.
Im zweiten Teil der Arbeit wurde eine steuerbare beheizbare Zelle eingeführt. Mit ihr war es möglich, mit Hilfe der Nahinfrarotspektroskopie (NIR), sich verändernde Netzwerkstrukturen während der Härtung sichtbar zu machen. Vergleichend dazu wurden etablierte, kalorische Messungen durchgeführt. Somit konnten für verschiedene Epoxidsysteme die Aushärtegrade während der Härtung mit variablen Heizraten bestimmt werden. Dadurch konnten Aushär-tungskinetiken erstellt werden, die durch isotherme und komplexe Aushärtungsszenarien validiert wurden.
n order to determine the relevance of microplastic particles in various environmental media, comprehensive investigations are needed. However, no analytical method exists for fast identification and quantification. At present, optical spectroscopy methods like IR and RAMAN imaging are used. Due to their time consuming procedures and uncertain extrapolation, reliable monitoring is difficult. For analyzing polymers Py-GC-MS is a standard method. However, due to a limited sample amount of about 0.5 mg it is not suited for analysis of complex sample mixtures like environmental samples. Therefore, we developed a new thermoanalytical method as a first step for identifying microplastics in environmental samples. A sample amount of about 20 mg, which assures the homogeneity of the sample, is subjected to complete thermal decomposition. The specific degradation products of the respective polymer are adsorbed on a solid-phase adsorber and subsequently analyzed by thermal desorption gas chromatography mass spectrometry. For certain identification, the specific degradation products for the respective polymer were selected first. Afterwards real environmental samples from the aquatic (three different rivers) and the terrestrial (bio gas plant) systems were screened for microplastics. Mainly polypropylene (PP), polyethylene (PE) and polystyrene (PS) were identified for the samples from the bio gas plant and PE and PS from the rivers. However, this was only the first step and quantification measurements will follow.
The worldwide produced plastic amount was about 314 m tones in 2013. A content of about 5-12 m tones of plastic products is estimated to attain to the environment. There, they are exposed to environmental aging conditions like UV light, abrasion, water, oxidation etc. and degrade to small particles. If the particles reach a dimension < 5 mm they are called microplastic. Today microplastic is almost ubiquitary and was found in the aquatic as well as in the terrestrial environment. The main representatives are polyethylene (PE), polypropylene (PP), polystyrene (PS) and polyethylene terephthalat (PET).
Analyzing microplastics in environmental samples turned out to be very challenging, due to the fact that there are only a few synthetic particles beside a huge number of natural. Furthermore, the different polymers particles vary in their shape, their density and their chemical characteristics. Until now, there is no standard procedure for sampling, concentration and analyzing. We developed a thermal decomposition method for analyzing micro plastics in environmental samples. The method is a combination of a thermal extraction on solid-phase adsorption agents with a subsequent analysis of the decomposition products by thermal desorption gas chromatography mass spectrometry. In contrast to more established methods, such as IR or Ramen spectroscopy, our method enables measurements within few hours and gives an integration result of polymer specific decomposition products. Therefore, it is possible to identify and to quantify polymers in environmental matrices.
The use of the method is demonstrated for various polymers (PE, PP, PS, PET) in spiked and first time also in real environmental samples.