Chemische Charakterisierung und Spurenanalytik
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In den vergangen Jahren hat das Umweltbewusstsein in der Bevölkerung stark zugenommen und somit auch das Interesse an der Vermeidung von anthropogenen (Schad-)Stoffen in der Umwelt. Eine (neue) Substanzklasse, deren Umweltauswirkungen noch nicht vollständig untersucht sind und die in den vergangenen Jahren immer mehr an Bedeutung gewonnen hat, sind (metallbasierte) Nanomaterialien. Im Gegensatz zu bspw. Elementspezies weisen Nanomaterialien eine Vielzahl von Eigenschaften auf und lassen sich nicht über nur ein Merkmal beschreiben - dies stellt eine große analytische Herausforderung dar. Hier haben sich vor allem die Feld-Fluss-Fraktionierung (AF4) und die single-particle-ICP-MS als leistungsstarke analytische Methoden herausgestellt. In (aquatischen) Umweltmatrizes (z.B. Oberflächengewässern) liegen neben artifiziellen auch natürliche Partikel vor, was eine weitere große Herausforderung für den Nachweis von Nanomaterialien darstellt.
Neben dem Nachweis von anthropogenen Stoffen in der Umwelt ist zudem deren ökotoxikologische Bewertung wichtig. In der aquatischen Ökotoxikologie werden hierzu Testorganismen mit den jeweiligen Substanzen über die Wasserphase exponiert. Effektkonzentrationen (EC50) werden dabei auf Basis der Konzentrationen in der Wasserphase abgeleitet - tatsächlich bioakkumulierte Mengen werden hierbei jedoch meist nicht ermittelt; eine weitere große Herausforderung besteht zudem in der Bewertung von Mischungstoxizitäten. Gängige Testorganismen sind u.a. Kieselalgen (Diatomeen). Diatomeen stehen am Anfang der Nahrungskette - toxikologisch relevante Metalle/Nanomaterialien können sich hierüber im Nahrungsnetz der Oberflächengewässer anreichern und ggf. nachhaltig auswirken.
Im ersten Teil des Vortrages werden zunächst neue elementanalytische Methoden zum Nachweis von metallbasierten Nanopartikeln in Umweltmatrizes auf Basis der AF4/ICP-SFMS sowie stabilen Isotopenlabeln am Beispiel von Eisennanopartikeln vorgestellt.
Im zweiten Teil wird eine neue elementanalytische Methode als komplementäre Technik zur ökotoxikologischen Bewertung von (Schad-)Stoffen vorgestellt. Die neue Methode basiert auf der on-line Kopplung von HPLC mit der single-cell-ICP-(ToF)-MS (sc-ICP-(ToF)-MS) [1, 3-5]. Hierüber konnten wir erfolgreich die automatisierte Multielementanalytik einzelner Diatomeen realisieren und zur Analyse von mit Metallen inkubierten Diatomeen (cyclotella meneghiniana) einsetzen. Wir konnten zeigen, dass die sc-ICP-ToF-MS zukünftig eine leistungsstarke, komplementäre Technik in der aquatischen Ökotoxikologie zum z.B. Test von Metallen und Nanomaterialien darstellt.
In recent years, elemental imaging of biological samples like tissue thin sections using laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry (LA-ICP-MS) is gaining more and more importance. Improvements concerning spatial resolution as well as signal-to-background ratio due to low-dispersion sample chambers make LA-ICP-MS also interesting for single cell analysis.
To evaluate the interaction of nanoparticles (NPs) with cells LA-ICP-MS was applied for the imaging of individual cells. Our findings show, that NP aggregates can be localized within cellular compartments. The uptake efficiency depends strongly on the physico-chemical properties of the nanostructures (size, chemical composition, surface modification), as well as on the incubation conditions (concentration, time).
Moreover, LA-ICP-MS is increasingly becoming an important complementary technique in bioanalysis by using element-tagging strategies to determine biomolecules indirectly. Based on the specific binding between antibodies and their corresponding antigens, proteins and peptides can be detected in tissue or cells using tagged antibodies. As artificial tags metal chelates loaded with lanthanides, polymer-based elemental tags or metal-containing nanoparticles can be used. Thereby LA-ICP-MS is a sensitive detection tool for multiplexed immuno-histochemistry of tissue and cell samples.
Our results demonstrate the potential of LA-ICP-MS to investigate the distribution of naturally occurring elements, administered agents as well as biomolecules by using metal-tagged antibodies.
Inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) is a powerful method for the matrix-independent quantitative analysis of target elements. Developed for the use in inorganic trace analysis, ICP-MS is nowadays emerging as a valuable tool for bioanalytical questions. Especially the use of ICP-MS for quantitative proteomics by measuring heteroatoms has gained popularity in the last decade, considering that established quantification methods like organic mass spectrometry depend on the existence of matched protein and peptide standards or labelling of the target protein. The need for reliable quantification of proteins is constantly growing, but only a limited number of well characterized and quantified protein standards are available so far. Not only in basic research, but also in a clinical context, accurately quantified, traceable protein standards are needed to ensure comparability of measurements between laboratories. One disease with a major impact on our ageing society is Alzheimer’s disease (AD), which is still challenging to diagnose. As this is also due to a lack in comparability and accuracy of existing biomarker assays, the community would greatly benefit from well quantified protein biomarker standards.
In this work, we applied isotope dilution analysis (IDA) using ICP-MS to quantify proteins of known stoichiometry via their sulfur content. Sulfur is present in two amino acids, cysteine and methionine, and hence exists in nearly all proteins. Simple strategies were employed for the detection of low molecular sulfur species to correct for sulfur contaminants and allow for reliable quantification of various proteins. We report the protein mass fractions with expanded uncertainties of a standard reference material and commercially available proteins determined by sulfur IDA. The herein developed method can be applied for the reliable and traceable quantification of pure proteins and will be used for the quantification of an AD biomarker. Our target is the tau protein, as brain load and distribution of tau is highly correlated with the clinical progression of AD.
Laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry (LA-ICP-MS) is nowadays an established multi-elemental analysis and mapping technique. It was shown that LA-ICP-MS can visualize the elemental distribution within tissue thin sections or cell samples. Quantification is possible by using appropriate matrix-matched calibration samples. Besides naturally occurring elements and metals from contrast agents, biomolecules using metal-tagged antibodies were detected in different bio-medical samples. By combining the results with findings from histology, magnetic resonance imaging (MRI) and other techniques disease related changes like alterations of the extracellular matrix can be investigated.