6 Materialchemie
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Organisationseinheit der BAM
- 6.6 Physik und chemische Analytik der Polymere (79) (entfernen)
Die ThermoExtraktionDesorption-Gaschromatografie-Massenspektrometrie (TED-GC-MS) ist die wichtigste Methode der BAM zur Analyse von Mikroplastikpartikeln in Umweltproben. Mit wachsendem Erfahrungsschatz traten Komplikationen auf, bei deren Bewältigung das Analysensystem verbessert werden konnte. Das Poster präsentiert u. a. die Verbesserung der Nachweisgrenzen sowie die Eliminierung von Kontaminationsquellen aus gängigen Probennahmeverfahren.
Der Vortrag beschreibt den Entwicklungsprozess des Analysenverfahrens TED-GC-MS zur Bestimmung von Mikroplastikgehalten in Umweltproben im Rahmen des BMBF-Projektes MiWa. Die Funktionsweise, die Automatisierung und die Optimierung einzelner Geräteparameter und Leistungsdaten werden gezeigt. Untersuchungen des Einflusses von Probenmatrices werden dargestellt und die Ergebnisse einiger Messkampagnen und Ringversuche vorgestellt, die die Routinefähigkeit des Verfahrens dokumentieren.
Die große Herausforderung in der Detektion von Mikroplastik (MP)‑Partikeln (1-1000 µm) besteht darin, sie neben Millionen von natürlichen Partikeln in Umweltproben nachzuweisen. Zum Aufspüren von Senken, Eintragspfaden und für Monitoring-Kampagnen ist ein schnelles, automatisiertes Verfahren unerlässlich. Ein solches Verfahren wurde an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) mit der ThermoExtraktion/Desorption-Gaschromatographie-Massenspektrometrie (TED-GC/MS) in den letzten Jahren entwickelt.
Das Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung neuer Materialien, um den Rückhalt von Mikroplastik-Partikeln (MP) aus verschiedenen urbanen Eintragspfaden (Kläranlagenablauf, Mischwasserüberlauf und Straßenabfluss)zu optimieren.
Die im Rahmen des Projekts entwickelten Materialien sollten auf ihre Rückhaltefähigkeit von MP aus dem Kläranlagenklarlauf getestet werden. Für die Probenahme sowie für die Analytik wurden die entwickelten und optimierten Probenahme- sowie Analysetechniken angewendet.
Der Vortrag stellt spektroskopische und neue thermoanalytische Verfahren zum Nachweis von Mikroplastik in Umweltproben vor. Ein spezieller Fokus liegt auf dem neu entwickelten Verfahren der TED-GC-MS. Zusätzlich wird gezeigt, wie die TED-GC-MS eingesetzt werden kann, um Reifen in der Umwelt zu bestimmen.
Quantifizierung der Schädigung von DNA in wässriger Lösung unter direkter Elektronenbestrahlung
(2018)
Bei der Behandlung von Krebs wird Strahlentherapie zur Zerstörung von Tumorzellen eingesetzt. Der zugrunde liegende Wirkmechanismus ist die durch ionisierende Strahlung verursachte Schädigung an Biomolekülen. Dabei kommt den Schädigungsprozessen an DNA aufgrund ihrer zentralen Rolle in Mutation und Zelltod eine besondere Bedeutung zu. Durch den hohen Wasseranteil in menschlichen Zellen findet ein Großteil der inelastischen Streuprozesse an Wassermolekülen statt und führt zur deren Radiolyse. Die so entstehenden Radiolyseprodukte sind für einen Großteil des Schadens an DNA verantwortlich. Ein detailliertes Verständnis der zugrunde liegenden molekularen Interaktion ist die Voraussetzung um effizientere Therapien zu entwickeln.
Ziel dieser Arbeit ist es, die Schädigung von DNA durch ionisierende Strahlung in Abhängigkeit der inelastischen Streuevents und des Energieeintrags innerhalb des biologisch relevanten mikroskopischen Treffervolumens zu quantifizieren. Die Bestrahlungen müssen dazu in Flüssigkeit, unter Berücksichtigung der chemischen Umgebung durchgeführt werden, welche die indirekten Schäden vermittelt. Deshalb wurde eine neuartige Kombination aus Experiment und Monte- Carlo-Simulationen entworfen und angewandt. Um Elektronenbestrahlung flüssiger Lösungen innerhalb eines Rasterelektronenmikroskops zu ermöglichen, wurde ein Probenhalter mit einer für Elektronen durchlässigen Nanomembran entwickelt. So können Bestrahlungen an DNA,
Proteinen, und Zellen bei verschiedenen pH-Werten, Salzkonzentrationen oder in Anwesenheit von Kosoluten durchgeführt werden. Für ein Modellsystem aus Plasmid-DNA in Wasser wurde damit die mittlere letale Dosis aus der Kombination der experimentellen Daten, Partikelstreusimulationen (Geant4-DNA) und Diffusionsberechnungen zu D1/2 = 1.7 ± 0.3 Gy bestimmt. Aus der Konvolution der Plasmidpositionen mit dem durch Elektronenstreusimulationen bestimmten ortsaufgelösten Energieeintrag wurde dessen Häufigkeitsverteilung im Targetvolumen der
Plasmide sowie der mittlere mikroskopische letale Energieeintrag berechnet als E1/2 = 6 ± 4 eV .
Es wurde gefolgert, dass weniger als zwei Ionisationsprozesse im sensitiven Targetvolumen der DNA im Mittel zu einem Einzelstrangbruch führen. Das für mikrodosimetrische Modellierungen wichtige Verhältnis von Einzelstrangbrüchen (SSB) zu Doppelstrangbrüchen (DSB) wurde als SSB : DSB = 12 : 1 bestimmt. Die vorgestellte Methode zur Bestimmung mikroskopischer Schaden-Dosis Relationen wurde auf weitere Klassen von Bestrahlungsexperimenten verallgemeinert. Dadurch ist die Methode unabhängig von der verwandten Primärstrahlung, der Probengeometrie und den Diffusionseigenschaften der untersuchten Moleküle anwendbar. So wird eine Vergleichbarkeit experimenteller Systeme mit inhomogenen Energieverteilungen erreicht, die bei ausschließlicher Betrachtung makroskopischer, gemittelter Größen nicht gegeben ist.
Des weiteren wurden die Strahlenschutzfunktionen des kompatiblen Soluts Ectoine und sein Einfluss auf Wasser und Biomoleküle untersucht. Mittels Ramanspektroskopie wurde ein kon-zentrationsabhängiger Anstieg des Anteils der Kollektivmoden des Wassers der OH-Streckschwingungen und dessen Unabhängigkeit von der Natriumchloridkonzentration beobachtet.
Molekulardynamik-Simulationen zeigten, dass die zwitterionischen Eigenschaften zur Bildung einer half-chair Konformation Ectoines führen. Die Wasserstoffbrückenbindungen in der ersten Hydrationshülle sind signifikant stabiler und besitzen höhere Lebensdauern als das Bulk-Wasser. Bestrahlung von DNA in Anwesenheit von 1 M Ectoine führt zu einer Erhöhung der Überlebensrate um den Faktor 1,41. Die Schutzfunktion wurde auf die Erhöhung des Streuquerschnitts niederenergetischer Elektronen an den akustischen Vibrationsmoden des Wasser durch Ectoine und seine Wirkung als OH-Radikalfänger zurückgeführt. Dies wurde mittels Ramanspektroskopie und Elektronenspinresonanzmessungen (ESR) nachgewiesen.
Quantifizierung der Schädigung von DNA in wässriger Lösung unter direkter Elektronenbestrahlung
(2018)
To cure cancer radiation therapy is used to kill tumor cells.
It is based on radiation induced damage to biomolecules.
Especially DNA damage is of key interest due to its central role in apoptosis and mutation.
Because of the high amount of water in biological tissue, most of the damage is caused by the secondary particles produced by the inelastic scattering of ionizing radiation and water.
A detailed understanding of the underlying molecular processes under physiological conditions is the prerequisite to develop more efficient therapies.
Goal of this work is to quantify the DNA damage caused by ionizing radiation in dependence of the inelastic scattering events and the energy deposit within the microscopic target volume of biological relevance.
The irradiations have to be performed in liquid, under consideration of the chemical environment.
Therefore, a new combination of experiment and Monte-Carlo simulations was developed and tested.
To make it possible to irradiate liquids with electrons within scanning electron microscopes a new sample holder was constructed incorporating an electron transparent nanomembrane.
It makes it possible to irradiate DNA, proteins or cells at different pH, salinity and in the presence of cosolutes.
%The most important results of this work are as follows:
The median lethal dose for a model system of plasmid DNA and water was determined by the combination of experimental data, particle scattering simulations (Geant4-DNA) and diffusion calculations as D0.5=(1.7+-0.3) Gy.
From the convolution of plasmid positions and the spatially resolved energy deposit, as determined by electron scattering simulations, the histogram of the energy deposit within the target volume of the plasmids and the microscopic median lethal energy deposit was calculated as E0.5=6+-4eV.
It could be deduced that on average less than two ionization events are sufficient to cause a single-strand-break.
The relation of single-strand-breaks (SSB) to double-strand-breaks (DSB), which is of importance for microdosimetric modeling, was determined as SSB:DSB = 12:1.
The presented method for the determination of microscopic dose-damage relations was further extended to be applicable for general irradiation experiments.
It becomes independent of the type of primary radiation used, the experimental geometry, and the diffusional properties of the molecules under investigation.
This way different experimental systems with varying, inhomogeneous energy deposit characteristics become comparable with each other, which is not possible when only macroscopic averaged values are taken into account.
In addition, the radiation protection properties of the compatible solute ectoine, as well as its influence on the water properties and biomolecules were investigated.
%In addition, the influence of the compatible solute ectoine on water, biomolecules and its radiation protection properties were investigated.
Raman spectroscopy revealed a concentration dependent increase of the collective water modes in the OH-stretching region, which was found to be independent of the sodium chloride concentration.
Molecular dynamic simulations showed that the zwitterionic properties of ectoine lead to its half-chair conformation.
The hydrogen bonds in the first hydration shell are more stable and have an increased lifetime compared to the bulk water.
Irradiation experiments with DNA in the presence of 1M ectoine revealed an increase of the survival rate by a factor of 1.41 as compared to the absence of ectoine.
The protective properties of ectoine result from the increase of the inelastic scattering probabilities of low energy electrons at the acoustic vibrational modes of water and its properties as OH-radical scavenger.
This was shown by Raman spectroscopy and electron paramagnetic resonance measurements (EPR).
DNA basierte Dosimetrie
(2020)
We propose the development of a standardized DNA based dosimeter. This dosimeter will improve the comparability between the results of different laboratories in radiation research. Compared to conventional methods in dosimetry, this Approach provides direct access to the relation between radiation interaction and biological damage. Moreover, it enables the systematic investigation of the relation between the microscopic characteristics of radiation and DNA damage over a wide dose range.
The determination of the microscopic dose-damage relationship for DNA in an aqueous environment is of a fundamental interest for dosimetry and applications in radiation therapy and protection. We combine geant4 particle-scattering simulations in water with calculations concerning the movement of biomolecules to obtain the energy deposit in the biologically relevant nanoscopic volume.[1] We juxtaposition these results to the experimentally determined damage to obtain the microscopic dose-damage relationship at a molecular level. This approach is tested for an experimentally challenging system concerning the direct irradiation of plasmid DNA (pUC19) in water with electrons as primary particles.[2] Here a microscopic target model for the plasmid DNA based on the relation of lineal energy and radiation quality is used to calculate the effective target volume. It was found that on average fewer than two ionizations within a 7.5-nm radius around the sugar-phosphate backbone are sufficient to cause a single strand break, with a corresponding median lethal energy deposit being E1/2=6±4 eV.[1] The presented method is applicable for ionizing radiation (e.g., γ rays, x rays, and electrons) and a variety of targets, such as DNA, proteins, or cells.
[1] Hahn, M. B., Meyer, S., Kunte, H.-J., Solomun, T. & Sturm, H. Measurements and simulations of microscopic damage to DNA in water by 30 keV electrons: A general approach applicable to other radiation sources and biological targets. Phys. Rev. E 95, 052419 (2017).
[2] Hahn, M. B. et al. Direct electron irradiation of DNA in a fully aqueous environment. Damage determination in combination with Monte Carlo simulations. Phys. Chem. Chem. Phys. 19, 1798–1805 (2017).
Bei der Behandlung von Krebs mittels Strahlentherapie sollen Tumorzellen abgetötet werden ohne das umliegende gesunde Gewebe zu zerstören. Um Strahlentherapien für Patienten verträglicher zu machen, ist ein besseres Verständnis der zugrundeliegenden Prozesse auf der molekularen Ebene nötig. Dabei sind der Energieeintrag und die Streuprozesse der Strahlung in der Umgebung der DNA von besonderem Interesse. Durch Streuung von hochenergetischer Strahlung in Wasser werden besonders viele Sekundärelektronen mit niedriger Energie erzeugt. Zur Untersuchung der Schädigungseffizienz dieser Elektronen wurde ein Verfahren zur direkten Bestrahlung von Lösungen mittels Elektronen variabler Energien enwtickelt. Dies wurde durch einen neu entwickelten Probenhalter mit einer für Elektronen durchlässigen Nanomembran ermöglicht. Mit diesem können Bestrahlungen an DNA, Proteinen, und Zellen bei verschiedenen pH-Werten oder Salzkonzentrationen durchgeführt werden. Parallel dazu wurde der ortsabhängige Energieeintrag innerhalb des Wassers durch Elektronenstreusimulationen bestimmt. Diese neuartige Kombination von Experiment und Simulation ermöglicht die Bestimmung der Schaden-Dosis-Relation für Elektronenbestrahlung von biologischen Systemen unter realistischen physiologischen Bedingungen. So konnten für die genutzten Primärelektronen wie die mittlere letale Dosis, bei der 50 Prozent der DNA geschädigt sind, mit 1,7 Gy bestimmt. Ebenfalls wurde das für mikrodosimetrische Modellierungen und Betrachtungen der sogenannten Linear energy transfer (LET) Effekte, wichtige Verhältnis von DNA Einzelstrangbrüchen (SSB) zu Doppelstrangbrüchen (DSB) als SSB/DSB = 12/1 bestimmt. Mit Hilfe eines Modells für das Targetvolumen der DNA wurde der mittlere mikroskopische letale Energieeintrag berechnet als E1/2 = 6 ± 4 eV . Es wurde gefolgert, dass weniger als zwei Ionisationsprozesse im sensitiven Targetvolumen der DNA im Mittel zu einem Einzelstrangbruch führen. Diese Methode ist unabhängig von den Primärpartikel und geometrischen Bedingungen. Deshalb ermöglicht sie die Vergleichbarkeit experimenteller Systeme mit inhomogenen Energieverteilungen, welches sonst nicht gegeben ist. Des weiteren wurden die Strahlenschutzfunktionen des Zellschutzmoleküls Ectoines und sein Einfluss auf Wasser und Biomoleküle untersucht. Seine Schutzfunktion gegen ionisierende Strahlung wurde auf die Erhöhung des Streuquerschnitts niederenergetischer Elektronen und seine Eigenschaft als OH-Radikalfänger zurückgeführt. Aufbauend auf unseren Erkenntnissen finden in klinischen Arbeitsgruppen Untersuchungen zu Einsatzmöglichkeiten im Umfeld der Strahlentherapie statt.
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 245767821
Mit dem stetigen weltweiten Anstieg der Nachfrage nach Polymerprodukten nimmt auch die potenzielle Menge an Kunststoffabfällen in der Umwelt zu. Problematisch ist, dass viele der wirtschaftlich relevantesten Kunststoffe sehr lange brauchen, um in der Umwelt abzubauen, sich dort akkumulieren und in kritisch betrachtetes Makro- und Mikroplastik zu zerfallen. Auf der Grundlage des Vorsorgeprinzips fordert die Europäische Kommission daher die Entwicklung neuer polymerer Materialien, die diesem Problem der Persistenz entgegenwirken und unter natürlichen Umweltbedingungen schneller abgebaut werden können. 1,2
Um dieses Problem anzusprechen, wurden mittels additiver Fertigung Polymerblends aus photooxidationsempfindlichem Polystyrol (PS) und hydrolyseempfindlicher Polymilchsäure (PLA) hergestellt. Die Hypothese war, dass sich die beiden Thermoplaste aufgrund ihrer unterschiedlichen Abbauprozesse gegenseitig in ihrem Abbau unterstützen, wenn sie unter moderaten, realitätsnahen Umweltalterungsbedingungen (45 °C) abwechselnd der Photooxidation und Hydrolyse ausgesetzt werden.
In der Praxis zeigten die Ergebnisse, dass die Degradation von PLA durch die Anwesenheit von PS deutlich beschleunigt worden ist – wohingegen die Degradation von PS gehemmt wurde. In diesem Vortrag werden die detaillierten Ergebnisse der Oberflächen- (ATR-FTIR, REM) und Bulk-Analysen (DSC, TGA, FTIR-Transmission, TED-GC/MS) der Blends sowie ergänzende Mikroplastik-Ergebnisse des umgebenden Wassermediums (TED-GC/MS) erörtert.
The structure and molecular dynamics of a homologous series of Janus polytricyclononenes (PTCN) with rigid backbones and flexible n-alkyl (n = propyl, butyl, hexyl, octyl) side groups were studied. These polymers are novel, innovative materials that show potential in separating hydrocarbons. Janus PTCNs were designed to show an enhanced and controllable gas permeability via flexible alkyl side chains that promote mass transport, as opposed to conventional microporous polymers, where permeability is a function of the free-volume entities.
The materials, studied by small angle X-ray scattering (SAXS), show nanophase separation between the n-alkyl side chains and the backbones. The size of the nanodomains increases with the length of the n-alkyl side groups. In addition, for the alkyl chain-rich nanodomains a distinct α-relaxation (dynamic glass transition) was found by means of broadband dielectric spectroscopy (BDS) and temperature modulated DSC (TMDSC). The glass transition of the backbone-rich domains, which is beyond or near to the degradation of the materials, was evidenced by fast scanning calorimetry (FSC) by decoupling it from decomposition by employing high heating rates up to 104 K/s.
Janus PTCNs were studied by quasielastic neutron scattering employing the backscattering instrument IN16B. For an overview of dynamic processes setting in at different temperatures inelastic (IFWS) and elastic fixed window scans (EFWS) were conducted. IFWS showed that the segmental motions of alkyl-rich nanodomains shift to higher temperatures with increasing alkyl chain length, which agrees with SAXS and BDS findings. For the lowest side chain lengths an additional low temperature relaxation process was found, assigned to methyl group rotations.
Die Rheologie von fließfähigen zementären Systemen mit Fließmitteln wird durch eine Vielzahl parallel stattfindender Effekte beeinflusst. Zu diesen Effekten zählen Wechselwirkungen zwischen den Polymeren und Ionen in der Porenlösung, frühe Phasenbildung, zeitabhängige und kompetitive Adsorption zwischen anionischen Polymeren und Sulfationen, Bildung von Phasen in der Porenlösung sowie Morphologieänderungen an Partikeloberflächen. Die frühe Hydratation von Zement, die durch Lösungs- und Fällungsprozesse angetrieben wird, beeinflusst diese Effekte erheblich. Das permanente Ungleichgewicht der Porenlösung führt zu Veränderungen der Partikeloberflächen, welches widerum zur Folge hat, dass rheometrische Messungen dieser Zementleime anfällig für Streuungen sind. Um die Einflüsse aus der Zementhydratation zu minimieren, wurden die rheometrischen Untersuchungen mit Zement in Wasser, wässriger Phase von Zementleim bzw. mit vorhydratisiertem Zement durchgeführt. Zusätzlich wurden die gleichen Systeme mit Zugabe von Polycarboxylatethern untersucht.
Die Ergebnisse zeigen, dass die Leime mit Wasser niedrigere Werte für Fließgrenze und plastische Viskosität aufweisen, als die Systeme mit der wässrigen Phase von Zementleim. Während die Polymere eine Verminderung der Fließgrenze zur Folge hatte, war die Wirkung von Polymeren auf die plastische Viskosität vernachlässigbar. Zusätzlich wurde die frühe Hydratation unter Verwendung von Wärmeflusskalorimetrie, Rasterelektronenmikroskopie und Nadeleindringtiefe beobachtet.
Die Rheologie von fließfähigen zementären Systemen mit Fließmitteln wird durch eine Vielzahl parallel stattfindender Effekte beeinflusst. Zu diesen Effekten zählen Wechselwirkungen zwischen den Polymeren und Ionen in der Porenlösung, frühe Phasenbildung, zeitabhängige und kompetitive Adsorption zwischen anionischen Polymeren und Sulfationen, Bildung von Phasen in der Porenlösung sowie Morphologieänderungen an Partikeloberflächen. Die frühe Hydratation von Zement, die durch Lösungs- und Fällungsprozesse angetrieben wird, beeinflusst diese Effekte erheblich. Das permanente Ungleichgewicht der Porenlösung führt zu Veränderungen der Partikeloberflächen, welches widerum zur Folge hat, dass rheometrische Messungen dieser Zementleime anfällig für Streuungen sind. Um die Einflüsse aus der Zementhydratation zu minimieren, wurden die rheometrischen Untersuchungen mit Zement in Porenlösung durchgeführt. Die Experimente wurden mit verschiedenen Feststoffvolumenfraktionen durchgeführt und mit den Ergebnissen identischer Systeme mit Wasser anstelle von Porenlösung verglichen. Zusätzlich wurden die gleichen Systeme mit Zugabe von Polycarboxylatethern untersucht.
Die Ergebnisse zeigen, dass die Leime mit Wasser niedrigere Werte für Fließgrenze und plastische Viskosität aufweisen, als die Systeme mit Porenlösung. Während die Polymere eine Verminderung der Fließgrenze zur Folge hatte, war die Wirkung von Polymeren auf die plastische Viskosität vernachlässigbar. Zusätzlich wurde die frühe Hydratation unter Verwendung von Wärmeflusskalorimetrie, Rasterelektronenmikroskopie und Nadeleindringtiefe beobachtet.
Das Auftreten von Mikroplastik (MP) in aquatischen Ökosystemen ist bereits vielfältig dokumentiert. MP sind Kunststoffpartikel mit einer Größe kleiner als 5000 µm. Sie gelangen entweder als primäres MP (bspw. Zusätze in Kosmetikartikeln) oder als sekundäres MP (Fragmentierung größerer Kunststoffteile) in die Umwelt. Über die Existenz von Kunststoffpartikeln und deren Verbleib in terrestrischen Systemen ist wenig bekannt. Bis heute ist es unklar, ob MP im Boden durch Bodenerosion in die aquatische Umwelt transportiert wird und Boden somit als MP-Quelle für Gewässer fungiert, oder ob Partikel im Boden zurückgehalten werden und Boden eine MP-Senke darstellt. Hierzu sind aussagekräftige Messungen von Proben notwendig.
Das Fehlen harmonisierter Verfahren für die Probenahme, Probenaufbereitung und Detektion erschwert die aktuelle Diskussion. In den wenigen bisher veröffentlichten Studien fanden hauptsächlich spektroskopische Methoden wie FTIR- oder Raman-Mikroskopie als Detektionsverfahren Anwendung. Diese liefern in der Regel Aussagen über Partikelanzahlen.
Im vorliegenden Projekt soll als Analysemethode die von uns entwickelte ThermoExtraktionDesorption-GasChromatograpie-MassenSpektrometrie (TED-GC-MS) genutzt werden. Bei dieser Methode wird die Probe bis 600 °C erhitzt; die Zersetzungsgase werden auf einer Festphase sorbiert, anschließend in ein GS-MS-System überführt und dort desorbiert, getrennt und identifiziert. Die Methode erlaubt auf schnellem Wege über den Nachweis von spezifischen Zersetzungsprodukten die Identifikation einzelner Polymere, aber auch die quantitative Bestimmung des MP-Massegehaltes in einer Bodenprobe.
Ziel des vorliegenden Projektes ist die Entwicklung eines systematischen Protokolls zur Probenahme, Probenaufarbeitung und anschließenden Analyse mittels TED-GC-MS von MP in terrestrischen Proben. Neben der Erstellung einer systematischen Probenahmestrategie sind Probenaufarbeitungsschritte wie die Reduktion der anorganischen Matrix mittels Dichteseparation sowie die oxidative Zersetzung organischer Matrixbestandteile notwendig.
Im vorliegenden Tagungsbeitrag präsentieren wir die Anwendung der TED-GC-MS für die Bestimmung von MP in verschiedenen terrestrischen Umweltmatrizen.