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ACEnano is an EU-funded project which aims at developing, optimising and validating methods for the detection and characterisation of nanomaterials (NMs) in increasingly complex matrices to improve confidence in the results and support their use in regulation. Within this project, several interlaboratory comparisons (ILCs) for the determination of particle size and concentration have been organised to benchmark existing analytical methods. In this paper the results of a number of these ILCs for the characterisation of NMs are presented and discussed. The results of the analyses of pristine well-defined particles such as 60 nm Au NMs in a simple aqueous suspension showed that laboratories are well capable of determining the sizes of these particles. The analysis of particles in complex matrices or formulations such as consumer products resulted in larger variations in particle sizes within technologies and clear differences in capability between techniques. Sunscreen lotion sample analysis by laboratories using spICP-MS and TEM/SEM identified and confirmed the TiO2 particles as being nanoscale and compliant with the EU definition of an NM for regulatory purposes. In a toothpaste sample orthogonal results by PTA, spICP-MS and TEM/SEM agreed and stated the TiO2 particles as not fitting the EU definition of an NM. In general, from the results of these ILCs we conclude that laboratories are well capable of determining particle sizes of NM, even in fairly complex formulations.
Dass Viren sich über Aerosolpartikel ausbreiten können, wurde bereits in vielen Studien gezeigt. Als Aerosol bezeichnet man ein Gemisch aus Luft mit darin verteilten festen oder flüssigen Partikeln. Ein Aerosol ist dabei immer dynamisch, da Partikel neugebildet, in oder mit der Luft transportiert und aus der Luft entfernt werden oder sich im luftgetragenen Zustand verändern. Zum Verständnis der Rolle von Aerosolpartikeln als Übertragungsweg von SARS-CoV-2 ist daher die Kenntnis der verschiedenen Prozesse in einem Aerosol von besonderer Bedeutung. Mit diesem Papier möchte die GAeF einen Beitrag dazu leisten, den momentan so häufig anzutreffenden Begriff „Aerosol“ sowie die relevanten Aerosolprozesse anschaulich darzustellen und zu erläutern. Dabei wird im Rahmen dieses Papiers nur auf die wesentlichen Grundlagen eingegangen.
Für ein tiefergehendes Verständnis der teilweise komplexen Prozesse sei auf die angeführte Sekundärliteratur verwiesen. Das Papier fasst eine Vielzahl von Studien zur Entstehung von virenbeladenen Aerosolpartikeln sowie deren Ausbreitung zusammen. Darauf basierend kann festgestellt werden, dass ausgeatmete Aerosolpartikel auch bei der Corona-Pandemie eine prominente Rolle bei der Verbreitung der Viren spielen. Abschließend geht dieses Papier auf mögliche Maßnahmen zur Verringerung der Ausbreitung von Aerosolpartikeln ein. Die diskutierten Maßnahmen orientieren sich an der derzeitigen öffentlichen Diskussion und beinhalten entsprechend die folgenden Punkte: Lüften, Luftreiniger, Lüftungsanlagen und Masken. Es werden Hinweise zum richtigen und sinnvollen Einsatz dieser Maßnahmen gegeben. Aerosolpartikel haben Größen zwischen ca. 0,001 und mehreren 100 Mikrometern (und nicht wie in vielen Publikationen derzeit definiert < 5μm) und verteilen sich mit Luftströmungen relativ schnell, auch über größere Distanzen. Größere Aerosolpartikel sinken – abhängig von ihrer Größe und Dichte – zu Boden; kleine Aerosolpartikel können hingegen sehr lange in der Luft verbleiben (s. Kapitel 3). Jeder Mensch stößt durch die Atmung sowie beim Sprechen, Husten und Niesen flüssige Aerosolpartikel unterschiedlicher Größen aus (s. Kapitel 4). Ist eine Person mit einem Virus, wie z. B. SARS-CoV-2, infiziert, so können diese Aerosolpartikel Viren enthalten, die in die Luft gelangen und von anderen Personen eingeatmet werden können. SARS-CoV-2 hat eine Größe von 0,06 bis 0,14 Mikrometer, die exhalierten flüssigen Aerosolpartikel sind hingegen größer. Die flüssigen Aerosolpartikel können aber je nach Umgebungsbedingungen durch Verdunstung schrumpfen (s. Kapitel 3.3). Für den Partikeltransport und die Partikelabscheidung ist dabei jeweils die aktuelle Partikelgröße relevant. Das höchste Infektionsrisiko besteht in geschlossenen Innenräumen, da sich hierin Aerosolpartikel anreichern können. Insbesondere hier sind entsprechend Maßnahmen zu treffen, die eine Reduktion der Aerosolpartikelkonzentration ermöglichen.
Vor dem Hintergrund der Aerosolwissenschaften ordnet die GAeF die aktuellen Maßnahmen zur Eindämmung der Pandemie wie folgt ein:
• Prinzipiell gilt: Keine Maßnahme kann für sich alleine funktionieren! Das Zusammenspiel der verschiedensten Maßnahmen ist nach derzeitigem Wissensstand der beste Weg zur Minimierung des Infektionsrisikos.
• Abstand halten ist wichtig, denn mit zunehmendem Abstand werden direkt ausgeatmete Viren verdünnt, und die Wahrscheinlichkeit sich anzustecken sinkt. Der vielfach vorgeschriebene Mindestabstand kann als Anhaltspunkt dienen, sollte aber insbesondere bei längeren Zusammenkünften und auch in Innenräumen mit verringerter Luftbewegung vergrößert und durch weitere Maßnahmen (s.u.) ergänzt werden.
• Masken helfen, einen Teil der exhalierten Partikel (und Viren) zu filtern. Dadurch sinkt die Konzentration der exhalierten Partikel (und Viren) in einem Raum und damit das Infektionsrisiko. Hierbei ist zu beachten, dass die ausgeatmeten Aerosolpartikel durch anhaftende Feuchtigkeit relativ groß sind und somit auch von einfachen Masken effizient zurückgehalten werden können. Da diese Partikel aber mit längerer Verweilzeit in der Raumluft schrumpfen, sind einfache Mund-Nasen-Bedeckungen für den Selbstschutz weniger effizient. Hierfür sind Atemschutzmasken erforderlich, die auch für feine Partikel eine hohe Abscheidung zeigen, z. B. der Klassen FFP2, N95 oder KN95. Diese sind sowohl für den Selbst- als auch den Fremdschutz effizient, sofern sie über kein Ausatemventil verfügen. Masken mit Ausatemventil dienen hingegen nur dem Selbstschutz und widersprechen daher dem Solidaritätskonzept, dass Mitmenschen durch kollektives Maskentragen geschützt werden.
• Gesichtsvisiere, die ohne zusätzliche Verwendung von Masken eingesetzt werden, sind hinsichtlich Aerosolpartikeln weitgehend nutzlos, da die Luft mit Partikeln (und Viren) ungefiltert um die Visiere herumströmt. Gesichtsvisiere werden im klinischen Alltag zusätzlich zu Masken getragen, um Tröpfcheninfektion über die Schleimhäute der Augen zu verhindern. Ebenfalls weitgehend unwirksam gegen die Aerosolverbreitung in Innenräumen sind mobile oder fest installierte Plexiglasbarrieren. Diese können nur kurzfristig die kleinräumige Ausbreitung eines Aerosols, z. B. im Kassenbereich eines Supermarkts, verhindern, bieten aber längerfristig keinen Schutz. Gesichtsvisiere und Plexiglasscheiben dienen im Wesentlichen als Spuck- und Spritzschutz gegenüber großen Tröpfchen.
• Im Freien finden so gut wie keine Infektionen durch Aerosolpartikel statt. Allerdings können Tröpfcheninfektionen auftreten, insbesondere in Menschenansammlungen, wenn Mindestabstände nicht eingehalten und/oder keine Masken getragen werden. In geschlossenen Räumen ist Lüften unerlässlich, um die ausgeatmete Luft in einem Raum durch frische Luft von draußen zu ersetzen. Häufiges Stoß- und Querlüften sind dabei vergleichbar effektiv wie dauernd das Fenster vollständig geöffnet zu lassen. Aus energetischer Sicht ist Stoß- oder Querlüften insbesondere im Winter allerdings effizienter. CO2-Monitore können bei der Überwachung der Luftqualität in Innenräumen helfen. Sie zeigen an, wann gelüftet werden sollte und wann die Luft in einem Raum während des Lüftens ausreichend gewechselt ist. Sie können jedoch nur als Indikator verwendet werden und verhindern selbst bei Einhaltung der vorgeschlagenen CO2-Grenzkonzentrationen keine direkte Infektion durch unmittelbar benachbarte Personen.
• Luftreiniger können einen sinnvollen Beitrag leisten, um die Partikel- und Virenkonzentration in einem Raum zu reduzieren. Bei der Beschaffung von Luftreinigern muss darauf geachtet werden, dass diese für den betrachteten Raum und die betrachtete Anwendung ausreichend dimensioniert sind, um die Partikel- und Virenlast signifikant zu verringern. Dem Luftdurchsatz des Gerätes kommt dabei eine größere Bedeutung zu, als der reinen Effizienz des Filters. Aus energetischen und Kostenerwägungen kann die Verwendung hocheffizienter Filter sogar kontraproduktiv sein. Fest verbaute Lüftungsanlagen können ebenso sinnvoll sein, sofern sie die Luft filtern, um die Partikel- und Virenlast in einem Raum zu verringern. Hierbei ist es zur Vermeidung von Infektionen sinnvoll, diese möglichst mit 100 % Frischluft zu betreiben.
Aus Sicht der Gesellschaft für Aerosolforschung besteht erheblicher Forschungsbedarf insbesondere an den interdisziplinären Grenzen zu Forschungsfeldern der Epidemiologie, Infektiologie, Virologie, Lüftungstechnik und Strömungsmechanik. Die Durchführung gezielter Studien sollte kurzfristig mit speziellen Förder- und Forschungsprogrammen ermöglicht werden. Dieses Papier wurde von Mitgliedern der Gesellschaft für Aerosolforschung verfasst und wird von einer Vielzahl internationaler Aerosolexperten unterstützt (s. Kapitel 8). Neben der vorliegenden Version existiert auch eine englischsprachige Übersetzung (siehe www.info.gaef.de). Sämtliche Abbildungen in diesem Papier stehen unter folgendem Link zum kostenlosen Download bereit: https://www.info.gaef.de/positionspapier. Bei jeder Verwendung ist „Gesellschaft für Aerosolforschung e. V.“ als Quelle zu nennen.
Many studies have already shown that viruses can spread via aerosol particles. An aerosol is a mixture of air with solid or liquid particles dispersed in it. To understand the role of aerosol particles as a transmission path of SARS-CoV-2, knowledge of the different processes in an Aerosol is therefore of particular importance. With this paper, GAeF would like to contribute to a better understanding of the term “aerosol” and the relevant aerosol processes. In the context of this paper only the essential basics will be discussed. For a deeper understanding of the partly complex processes, please refer to the literature mentioned at the end of the paper.
The paper summarises a large number of studies on the formation of virus-laden aerosol particles and their spread. Based on this, it can be concluded that exhaled aerosol particles may play a prominent role in the spread of viruses in the corona pandemic. Finally, this paper discusses possible measures to reduce the spread of aerosol particles. The measures discussed are based on the current public debate including ventilation, air purifiers, HVAC systems and masks. Advice is given on the correct and sensible use of these measures.
An aerosol is always dynamic, as particles are newly formed, transported in or with the air, removed from the air or change in the airborne state. Aerosol particles have sizes between approx. 0.001 and several 100 micrometres (and not < 5 μm as currently defined in many publications) and spread relatively quickly with air currents, even over longer distances. Larger aerosol particles sink to the ground, depending on their size and density, while small aerosol particles can remain in the air for a very long time (see Section 3). Every person emits liquid aerosol particles of various sizes through breathing and when speaking, coughing and sneezing (see Section 4). If a person is infected with a virus, such as SARS-CoV-2, these aerosol particles can contain viruses that can be released into the air and inhaled by other people. SARS-CoV-2 has a size of 0.06 to 0.14 micrometres, but the exhaled liquid aerosol particles are larger. The liquid aerosol particles can shrink by evaporation, depending on the ambient conditions (see Section 3.3). Particle size is relevant for particle transport and particle separation. The highest risk of infection exists in closed indoor spaces, as aerosol particles can accumulate there.
Here in particular, appropriate measures must be taken to reduce the concentration of aerosol particles (see Section 5).
Against the background of aerosol science, the GAeF classifies the current measures to contain the pandemic as follows:
• In principle, no measure can work on its own! According to the current state of knowledge, the interaction of the most varied measures is the best way to minimise the risk of infection.
• Keeping distance is important, because with increasing distance, directly exhaled viruses are diluted and the probability of infection decreases. The often prescribed minimum distance can be used as a guide, but it should be increased and supplemented by other measures (see below), especially for longer meetings and also indoors with reduced air movement.
• Masks help to filter some of the exhaled particles (and viruses). This reduces the concentration of exhaled particles (and viruses) in a room and thus the risk of infection. It should be noted here that the exhaled aerosol particles are relatively large due to adhering moisture and can therefore also be efficiently retained by simple masks. However, since these particles shrink with longer dwell time in the room air, simple mouth-nose masks are less efficient for self-protection. Respiratory masks are required for this purpose, which show a high degree of separation even for fine particles, e.g. of classes FFP2, N95 or KN95. These are efficient for both self-protection and protection of others unless they have an exhalation valve. Masks with an exhalation valve, on the other hand, are only for self-protection and therefore contradict the solidarity concept that fellow human beings are protected by collective mask wearing. Face shields which are used without additional masks are largely useless with regard t• aerosol particles, as the air with particles (and viruses) flows unfiltered around the shields. In everyday clinical practice, facial shields are worn in addition to masks to prevent droplet infection via the mucous membranes of the eyes. Mobile or permanently installed Plexiglas barriers are also largely ineffective against the spread of aerosols indoors. These can only prevent the smallscale spread of an aerosol in the short term, e.g. in the checkout area of a supermarket, but offer no protection in the longer term. Face shields and Plexiglas panels essentially serve as spit and splash protection against large droplets.
• Outdoors, there are practically no infections caused by aerosol transmission. However, droplet infections can still occur, especially in crowds, if minimum distances are not observed and/or masks are not worn. In closed rooms, ventilation is essential to replace the exhaled air in a room with fresh air from outside. Frequent airing and cross-ventilation is just as effective as leaving the window open all the time. From an energy point of view, however, it is more efficient to ventilate the room, especially in winter. CO2 monitors can help to monitor indoor air quality. They indicate when it is necessary to ventilate and when the air in a room has been sufficiently changed during ventilation. However, they can only be used as an indicator and even if the proposed CO2 limit concentrations are met, they do not prevent direct infection by people in the immediate vicinity.
• Air purifiers can make a useful contribution to reducing the concentration of particles and viruses in a room. When procuring air purifiers, care must be taken to ensure that they are adequately dimensioned for the room and application in question in order to significantly reduce the particle and virus load. The air throughput of the unit is more important than the pure efficiency of the filter. For energy and cost reasons, the use of highly efficient filters can even be counterproductive. Permanently installed ventilation systems can also be useful, provided they filter the air to reduce the particle and virus load in a room. To avoid infections, it is advisable to operate them with 100 % fresh air if possible.
From the point of view of the Gesellschaft für Aerosolforschung, there is a considerable need for research, especially at the interdisciplinary borders to research fields of epidemiology, infectiology, virology, ventilation technology and fluid mechanics. The implementation of targeted studies should be made possible at short notice with special funding and research programmes.
This paper was written originally in German by members of the Gesellschaft für Aerosolforschung and is supported by a large number of international aerosol experts. Both the English and German version as well as all images in the paper are available for free download at the following link: https://www.info.gaef.de/positionspapier. The “Gesellschaft für Aerosolforschung e. V.” must be named as the source, whenever an image is used.
This paper presents the results of an interlaboratory study of the rheological properties of cement paste and ultrasound gel as reference substance. The goal was to quantify the comparability and reproducibility of measurements of the Bingham parameters yield stress and plastic viscosity when measured on one specific paste composition and one particular ultrasound gel in different laboratories using different rheometers and measurement geometries.
The procedures for both in preparing the cement paste and carrying out the rheological measurements on cement paste and ultrasound gel were carefully defined for all of the study’s participants. Different conversion schemes for comparing the results obtained with the different measurement setups are presented here and critically discussed. The procedure proposed in this paper ensured a reasonable comparability of the results with a coefficient of variation for the yield stress of 27% and for the plastic viscosity of 24%, despite the individual measurement series’ having been performed in different labs with different rheometers and measurement geometries.
Whereas the characterization of nanomaterials using different analytical techniques is often highly automated and standardized, the sample preparation that precedes it causes a bottleneck in nanomaterial analysis as it is performed manually. Usually, this pretreatment depends on the skills and experience of the analysts. Furthermore, adequate reporting of the sample preparation is often missing. In this overview, some solutions for techniques widely used in nano-analytics to overcome this problem are discussed. Two examples of sample preparation optimization by au-tomation are presented, which demonstrate that this approach is leading to increased analytical confidence. Our first example is motivated by the need to exclude human bias and focuses on the development of automation in sample introduction. To this end, a robotic system has been de-veloped, which can prepare stable and homogeneous nanomaterial suspensions amenable to a variety of well-established analytical methods, such as dynamic light scattering (DLS), small-angle X-ray scattering (SAXS), field-flow fractionation (FFF) or single-particle inductively coupled mass spectrometry (sp-ICP-MS). Our second example addresses biological samples, such as cells exposed to nanomaterials, which are still challenging for reliable analysis. An air–liquid interface has been developed for the exposure of biological samples to nanomaterial-containing aerosols. The system exposes transmission electron microscopy (TEM) grids under reproducible conditions, whilst also allowing characterization of aerosol composition with mass spectrometry. Such an approach enables correlative measurements combining biological with physicochemical analysis. These case studies demonstrate that standardization and automation of sample preparation setups, combined with appropriate measurement processes and data reduction are crucial steps towards more reliable and reproducible data.
Metaproteomics, the study of the collective protein composition of multi-organism systems, provides deep insights into the biodiversity of microbial communities and the complex functional interplay between microbes and their hosts or environment. Thus, metaproteomics has become an indispensable tool in various fields such as microbiology and related medical applications. The computational challenges in the analysis of corresponding datasets differ from those of pure-culture proteomics, e.g., due to the higher complexity of the samples and the larger reference databases demanding specific computing pipelines. Corresponding data analyses usually consist of numerous manual steps that must be closely synchronized. With MetaProteomeAnalyzer and Prophane, we have established two open-source software solutions specifically developed and optimized for metaproteomics. Among other features, peptide-spectrum matching is improved by combining different search engines and, compared to similar tools, metaproteome annotation benefits from the most comprehensive set of available databases (such as NCBI, UniProt, EggNOG, PFAM, and CAZy). The workflow described in this protocol combines both tools and leads the user through the entire data analysis process, including protein database creation, database search, protein grouping and annotation, and results visualization. To the best of our knowledge, this protocol presents the most comprehensive, detailed and flexible guide to metaproteomics data analysis to date. While beginners are provided with robust, easy-to-use, state-of-the-art data analysis in a reasonable time (a few hours, depending on, among other factors, the protein database size and the number of identified peptides and inferred proteins), advanced users benefit from the flexibility and adaptability of the workflow.
Formation Mechanism of a Nano-Ring of Bismuth Cations and Mono-Lacunary Keggin-Type Phosphomolybdate
(2022)
A new hetero-bimetallic polyoxometalate (POM) nano-ring was synthesized in a one-pot procedure. The structure consists of tetrameric units containing four bismuth-substituted monolacunary Keggin anions including distorted [BiO8] cubes. The nano-ring is formed via self-assembly from metal precursors in aqueous acidic medium. The compound (NH4)16[(BiPMo11O39)4] ⋅ 22 H2O; (P4Bi4Mo44) was characterized by single-crystal X-ray diffraction, extended X-ray absorption fine structure spectroscopy (EXAFS), Raman spectroscopy, matrix-assisted laser desorption/ionisation-time of flight mass spectrometry (MALDI-TOF), and thermogravimetry/differential scanning calorimetry mass spectrometry (TG-DSC-MS). The formation of the nano-ring in solution was studied by time-resolved in situ small- and wide-angle X-ray scattering (SAXS/WAXS) and in situ EXAFS measurements at the Mo−K and the Bi−L3 edge indicating a two-step process consisting of condensation of Mo-anions and formation of Bi−Mo-units followed by a rapid self-assembly to yield the final tetrameric ring structure.
The detailed characterization of poly(styrene)-b-poly(tetrahydrofuran) (pS-b-pTHF) multiblock copolymers (17800 g mol-1 ≤ Mn ≤ 46800 g mol-1) generated via urethane linkages is presented. The synthesis of the block copolymers is enabled via a mechanistic switch of the thiocarbonyl thio end group of a poly(styrene) to dihydroxyl terminated polymers that subsequently react with a diisocyanate terminated polytetrahydrofuran based prepolymer to form multiblock copolymer structures. The characterization of the multiblock copolymers and their substructures includes size exclusion chromatography (SEC), liquid chromatography at critical conditions (LCCC), nuclear magnetic resonance (NMR), and infrared (IR) spectroscopy as well as matrix-assisted laser desorption/ionization (MALDI) mass spectrometry. To obtain even further details of the polymer size and its composition, SEC with triple detection as well as newly developed SEC coupled online to IR spectroscopy was carried out. The quantification of the average block fractions via online SEC-IR (4161 mol % pTHF) is in very good agreement with the results obtained via NMR spectroscopy (3966 mol % pTHF).