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Zur Ermittlung von Mikroplastik-Gehalten in verschiedenen Umweltmatrices ist ein schnelles Detektionsverfahren für die Routineanalytik notwendig. Ein solches Verfahren wird hier in Form der ThermoExtraktion/Desorption-GasChromatographie/ MassenSpektroskopie (TED-GC/MS) vorgestellt. Neben grundlegenden verfahrensspezifischen Erläuterungen zur Identifizierung und Quantifizierung von Mikroplastik werden auch exemplarische Beispiele aus unterschiedlichen Umweltkompartimenten und Produkten dargestellt. Neu vorgestellt wird ein neues Verfahren zur Analytik von Flaschenwasser. Dazu wurde ein Messfiltertiegel entwickelt, der besonders für Proben mit geringen Gehalten an abfiltrierbaren Stoffen geeignet ist
Der Vortrag beschäftigt sich mit den gängisten Methoden zur Probennahme, -vorbereitung und Detektion von Mikroplastik. Das Zusammenspiel von Fragestellung und Methode wird betont. Es wird auf das Dikussionspapier Analytik des BMBF-Forschungsschwerpunktes Plastik in der Umwelt besonders hingewiesen sowie Bemühungen zur Normierung der Methoden auf deutscher und internationaler Ebene dargestellt.
Die zunehmenden Nachweise von Kunststoffen in verschiedenen Umweltmedien erfahren in den letzten Jahren weltweit ein zunehmendes wissenschaftliches, gesellschaftliches und politisches Interesse. Besondere Aufmerksamkeit erfahren Kunststoffpartikel von 1-1.000 µm, sogenanntes Mikroplastik. Es wurde mittlerweile in Wasser, Böden, Luft und Biota nachgewiesen. Obwohl die Wirkungen auf die natürlichen Umweltfunktionen noch unklar sind und kontrovers diskutiert werden, ist allein durch die ubiquitäre Präsenz eine systematische Erfassung von Eintragsquellen und Verbleib der Partikel über alle Umweltmedien notwendig, um Maßnahmen zur Reduktion der Einträge zu veranlassen.
Für eine zuverlässige Erfassung sind medienübergreifende Verfahren zu entwickeln, welche die drei analytischen Schritte, Probennahme, Probenaufbereitung und Detektion beinhalten. Die Verfahren adressieren unterschiedliche Zielgruppen, welche verschiedene analytische Informationen fordern. Für die akademische Bewertung werden Verfahren mit hohem analytischen Aufwand favorisiert, welche möglichst detaillierte Information über Partikelsorte, -größe, -zahl und -oberflächenbeschaffenheit geben. Im Gegensatz dazu, fordern Anwender aus der Praxis schnelle und einfache Monitoring Verfahren, welche die Bestimmung eines Massengehaltes, bzw. eines Grenzwertes zulassen. Allen ist gemeinsam, dass ein hoher interdisziplinärer Anspruch besteht, der sowohl technische Voraussetzungen zur repräsentativen Probennahme und die Limitationen von Detektionsverfahren berücksichtigt, als auch die Fachkompetenz von Biologen, Umweltwissenschaften, Analytiker und Polymerwissenschaftler einschließt.
Verfahren zum Mikroplastiknachweis müssen auch verschieden Proben mit sehr unterschiedlichen Gehalten an natürlicher Matrix gerecht werden. So müssen allein für Wasser Verfahren entwickelt werden, die Mikroplastik verschiedener Form (sphärische Partikel, komplexe Bruchstücke, Fasern) aus Medien mit sehr variablen Partikelanteil (u.a. Trinkwasser, Oberflächenwasser, Abwasser) repräsentativ erfassen, sowie schnell und kostengünstig sind – einschließlich der notwendigen Probenaufbereitung. Die jeweiligen Detektionsverfahren müssen z.B. einzelne Partikel oder integrale Gehalte über drei Dekadenklassen für thermoplastische und insbesondere auch elastomere Partikelsorten erfassen können.
Die zunehmenden Nachweise von Kunststoffen in verschiedenen Umweltmedien erfahren in den letzten Jahren weltweit ein zunehmendes wissenschaftliches, gesellschaftliches und politisches Interesse. Besondere Aufmerksamkeit erfahren Kunststoffpartikel von 1-1.000 µm sogenanntes Mikroplastik. Es wurde mittlerweile in Wasser, Böden, Luft und Biota nachgewiesen. Obwohl die Wirkungen auf die natürlichen Umweltfunktionen noch unklar sind und kontrovers diskutiert werden, ist allein durch die ubiquitäre Präsenz eine systematische Erfassung von Eintragsquellen und Verbleib der Partikel über alle Umweltmedien notwendig, um Maßnahmen zur Reduktion der Einträge zu veranlassen.
Für eine zuverlässige Erfassung sind medienübergreifende Verfahren zu entwickeln, welche die drei analytischen Schritte, Probennahme, Probenaufbereitung und Detektion beinhalten. Die Verfahren adressieren unterschiedliche Zielgruppen, welche verschiedene analytische Informationen fordern. Für die akademische Bewertung werden Verfahren mit hohem analytischen Aufwand favorisiert, welche möglichst detaillierte Information über Partikelsorte, -größe, -zahl und -oberflächenbeschaffenheit geben. Im Gegensatz dazu, fordern Anwender aus der Praxis schnelle und einfache Monitoring Verfahren, welche die Bestimmung eines Massengehaltes, bzw. eines Grenzwertes zulassen. Allen ist gemeinsam, dass ein hoher interdisziplinärer Anspruch besteht, der sowohl technische Voraussetzungen zur repräsentativen Probennahme und die Limitationen von Detektionsverfahren berücksichtigt, als auch die Fachkompetenz von Biologen, Umweltwissenschaften, Analytiker und Polymerwissenschaftler einschließt.
Verfahren zum Mikroplastiknachweis müssen auch verschieden Proben mit sehr unterschiedlichen Gehalten an natürlicher Matrix gerecht werden. So müssen allein für Wasser Verfahren entwickelt werden, die Mikroplastik verschiedener Form (sphärische Partikel, komplexe Bruchstücke, Fasern) aus Medien mit sehr variablen Partikelanteil (u.a. Trinkwasser, Oberflächenwasser, Abwasser) repräsentativ erfassen sowie schnell und kostengünstig sind – einschließlich der notwendigen Probenaufbereitung. Die jeweiligen Detektionsverfahren müssen z.B. einzelne Partikel oder integrale Gehalte über drei Dekadenklassen für thermoplastische und insbesondere auch elastomere Partikelsorten erfassen können.
The accumulation of plastics leaked into the environment achieve a high perception in the last years. It is uncontroversial that often an uncontrolled, high consumption of plastic products and a poor waste management resulted in plastic findings all over in the environment. However, less is known about the relevant pathways and fate of plastic in the environment. Especially plastic fragments smaller 5 mmm, so called microplastics, achieve a high attention, because their amount and risks arising from these fragments are still unknown. The basic mechanisms of plastic or more precise, of different polymer degradation processes are often not considered, resulting in unrealistic statements.
For generation of fundamental understanding of this problem we developed in the last years a fast thermoanalytical method for identification and mass quantification of microplastics in complex samples. The presentation will also give a short introduction about polymer degradation.
The occurrence of microplastic particles (MP) in nearly each environmental compartment but especially in water is well documented in an increasing amount of publication within the last few years. However, a comprehensive understanding of MP occurrence, sources and pathways in the environment as well as effects of MP on the environment is still unclear. Many of the studies are not compatible, because they used different sampling, sample preparation and detection techniques, resulting in a very broad variation and very different dimension of archived results. Hence a useful avoiding strategy for reduction the MP entry in the environment is not possible. Furthermore, the existing methods are often very time consuming, need user knowledge and labour force, which is often not acceptable for the routine monitoring of an action or sanction.
The call for harmonised methods become loud and louder and promising efforts are done in this area. However, the scientific discussion is often focus on advantages and disadvantages of detection tools and sample preparation, less initiative is given to the sampling strategy. That is a pity, because every environmental scientist knows, a good analytical result depend on a good sampling strategy.
The sampling of water seems on the first view easy because the sampling process include already an up concentration of the MP by means of sieves and filters. However, this filtering of water is often limited by filter cake on the sieves, consisting of high amount of natural particular matter. Hence often a small water volume is filtered, which will not own a representative amount of trait carriers or complex sieves cascades are used, which need a high technical equipment.
Recently we presented a fast thermoanalytical method for the detection of polymers fractions in water samples. This method, thermo-extraction desorption gas chromatography mass spectrometry (TED-GC-MS) can analyse MP in water filtrates without sample preparations within 2-3 hours. Advantageous is the additional analysis of rubber particles from tires beside the MP. In order to come even faster we now start to develop new sampling strategies, which should be use for different water systems. It is intended to reduce the effort in the field and to elongate times for sampling to obtain a representatives result without random effects.
In the present presentation we will show first result using a sedimentation box for sampling of MP from surface water. Advantages and disadvantages will be discussed and comparison to data from conventional fractionated filtration will be given.
Im Vortrag wird ein Messfiltertiegel als Zusatztool für die TED-GC/MS vorgestellt, welcher für die Probenaufbereitung von kleinen Partikelfrachten oder kleinen Partikelgrößen genutzt werden kann. Er ist Filtereinheit und Messtiegel in einem, wodurch Verluste bei der Überführung der Probe in das Messgefäß sowie Kontaminationen vermindert werden. Das beispiel ist hier die Filtration von Flaschenwasser mit anschließender Detektion mit der TED-GC/MS.
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%.
In diesem Beitrag wird gezeigt wie mit Thermogravimetrischen Analysen (TGA) Aktivkohleoberflächen charakterisiert werden können. Außerdem wie TGA mit Zersetzungsgasanalyse zur Untersuchung von Adsorbat-Systemen (Carbamazepin an drei verschiedenen Aktivkohlen) zur Aufklärung von Adsorptionszuständen genutzt werden kann.
A fast method for microplastic detection is thermal extraction desorption‐gas chromatography/mass spectrometry (TED‐GC/MS), which uses polymer‐specific thermal decomposition products as marker compounds to determine polymer mass contents in environmental samples. So far, matrix impacts of different environmental matrices on TED‐GC/MS performance had not yet been assessed systematically. Therefore, three solid freshwater matrices representing different aquatic bodies with varying organic matter contents were spiked with a total of eight polymers. Additionally, for the first time, the two biodegradable polymers polybutylene adipate terephthalate (PBAT) and polylactide (PLA) were analysed using TED‐GC/MS. The methodological focus of this work was on detectability, quality of signal formation as well as realisation of quantification procedures and determination of the limit of detection (LOD) values. Overall, TED‐GC/MS allowed the unambiguous detection of the environmentally most relevant polymers analysed, even at low mass contents: 0.02 wt% for polystyrene (PS), 0.04 wt% for the tyre component styrene butadiene rubber (SBR) and 0.2 wt% for polypropylene (PP), polyethylene (PE) and PBAT. Further, all obtained LOD values were increased in all matrices compared to the neat polymer without matrix. The LOD of the standard polymers were increased similarly (PS: 0.21–0.34 μg, SBR: 0.27–0.38 μg, PP: 0.32–0.36 μg, PMMA: 0.64–1.30 μg, PET: 0.90–1.37 μg, PE: 3.80–6.99 μg) and their decompositions by radical scission processes were not significantly influenced by the matrices. In contrast, matrixspecific LOD increases of both biodegradable polymers PBAT (LOD: 1.41–7.18 μg) and PLA (0.84–20.46 μg) were observed, probably due to their hetero‐functional character and interactions with the matrices. In conclusion, the TED‐GC/MS performance is not solely determined by the type of the polymers but also by the composition of the matrix.
Inputs of plastic impurities into the environment via the application of fertilizers are regulated in Germany and the EU by means of ordinances. Robust and fast analytical methods are the basis of legal regulations. Currently, only macro- and large microplastic contents (>1 mm) are measured. Microplastics (1–1,000 µm), are not yet monitored. Thermal analytical methods are suitable for this purpose, which can determine the mass content and can also be operated fully automatically in routine mode. Thermal extraction desorption-gas chromatography/mass spectrometry (TED-GC/MS) allows the identification of polymers and the determination of mass contents in solid samples from natural environments. In accordance with the German or European Commission (EC) Fertiliser Ordinance, composting plants should be monitored for microplastic particles with this method in the future. In this context a compost plant was sampled. At the end of the rotting process, the compost was sieved and separated in a coarse (>1 mm) and a fine fraction (<1 mm). The fine fraction was processed using density separation comparing NaCl and NaI as possible salt alternative and screened for microplastic masses by TED-GC/MS with additional validation and quality assurance experiments. With TED-GC/MS total microplastics mass contents of 1.1–3.0 μg/mg in finished compost could be detected with polyethylene mainly. What differs much to the total mass of plastics in the coarse fraction with up to 60 μg/mg, which were visually searched, identified via ATR-FTIR and gravimetrically weighted.