Chemische Charakterisierung und Spurenanalytik
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- 4.2 Material-Mikrobiom Wechselwirkungen (2)
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Gegenstand der vorzustellenden Arbeiten ist die Prüfung der Umwelt-beständigkeit und -verträglichkeit von Materialien und Produkten hinsichtlich der Emission von potenziellen Schadstoffen in die Umwelt. Hierzu werden chemisch-physikalische Einflüsse (Bewitterung) und mikrobielle Beanspruchungen an Modellmaterialien evaluiert. So werden die Freisetzungsraten von Schadstoffen in Abhängigkeit der Beanspruchung beschrieben. Als Modellmaterialien kommen die Polymere Polystyrol (PS) und Polypropylen (PP) zum Einsatz. Synergistische Effekte der Bewitterungsparameter und der mikrobiologischen Beanspruchung sollen dabei ebenso betrachtet werden, wie die gezielte Alterung. Auch findet eine Beschreibung des Verhaltens der ausgetragenen Schadstoffe (polybromierte Flammschutzmittel) in den Umweltkompartimenten Boden oder Wasser statt. Hier sind mit Hilfe der zu entwickelnden Screening- und non-Target-Analyseverfahren die Transformation und der Metabolismus durch Mikroorganismen zu beschreiben. Aus den Ergebnissen sollen Korrelationen zwischen den künstlichen Alterungsverfahren und realen Szenarien abgeleitet werden.
In addition to previously reported results on the accelerated weathering of polystyrene samples (PS) containing 1 wt.% hexabromocyclododecane (HBCD), we present the first results of our investigations of polypropylene samples (PP) containing 0.1 wt.% BDE-209. All studied polymer samples were exposed to a defined weathering schedule in a climate chamber in accordance to regulation EN ISO 4892-3:2006. For the determination of BDE-209 in the collected raining water the samples were prepared in accordance to a validated protocol. Before the analyses each sample was spiked with isotopically labeled BDE-209. Subsequently the samples were extracted with isooctane. The obtained extracts were concentrated, and the resulting solutions were analyzed by GC/MS. Additionally, the total bromine content was monitored for the weathered and untreated samples using laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry (LA-ICP-MS) and X-ray fluorescence analysis (XRF) as a non-destructive and rapid method. In general, the resulting data from the accelerated weathering will be compared to those from the natural weathering experiments. Here, the surfaces of the test pieces were analyzed by LA-ICP-MS and XRF as well. Moreover, soil bed tests were conducted in a well characterized model soil. This soil (boulder-clay, sand with 12 % loam, particle size in total 0.2-4 mm) is filled in a free-draining basin inside of an air-conditioned cellar. In this manner, TOC, water capacity and humidity are recorded parameters. To induce a leaching process from the samples by the raining water, the target water content is calculated to 8%. The actual humidity is measured by a tensiometer, assuring the duration of the raining period. A defined humidity is a fundamental parameter for a biological activity in the soil. The test polymers were placed up to the half in the soil. Microbial activity of the soil is monitored by a reference polymer (polyurethane) and should induce the release of HBCD and BDE-209 out of the test materials. These released analytes will be captured by passive samplers (silicone tubes) placed in a distinct distance to the polymer samples in the soil. The soil bed experiments are complementary to the weathering experiments due to the biological activity in the soil.
Gegenstand der vorzustellenden Arbeiten ist die Prüfung der Umweltbeständigkeit und -verträglichkeit von Materialien und Produkten hinsichtlich der Emission von potenziellen Schadstoffen in die Umwelt. Hierzu werden chemisch-physikalische Einflüsse (Bewitterung) und mikrobielle Beanspruchungen an Modellmaterialien evaluiert. So werden die Freisetzungsraten von Schadstoffen in Abhängigkeit der Beanspruchung beschrieben. Als Modellmaterialien kommen die Polymere Polystyrol (PS) und Polypropylen (PP) zum Einsatz, die jeweils mit polybromierten Flammschutzmitteln (PBFSM) versehen sind. Synergistische Effekte der Bewitterungsparameter und der mikrobiologischen Beanspruchung sollen dabei ebenso betrachtet werden, wie die gezielte Alterung. Auch findet eine Beschreibung des Verhaltens der ausgetragenen Schadstoffe in den Umweltkompartimenten Boden oder Wasser statt. Hier sind mit Hilfe der zu entwickelnden Screening- und non-Target-Analyseverfahren die Transformation und der Metabolismus durch Mikroorganismen zu beschreiben. Auch soll mit Hilfe der RFA und der LA-ICP-MS die Abreicherung der PBFSM in den Modellmaterialien beschrieben werden. Aus den Ergebnissen sollen Korrelationen zwischen den künstlichen Alterungsverfahren und realen Szenarien abgeleitet werden.
Gegenstand der vorzustellenden Arbeiten ist die Prüfung der Umweltbeständigkeit und -verträglichkeit von Materialien und Produkten hinsichtlich der Emission von potenziellen Schadstoffen in die Umwelt. Hierzu werden chemisch-physikalische Einflüsse (Bewitterung) und mikrobielle Beanspruchungen an Modellmaterialien evaluiert. So werden die Freisetzungsraten von Schadstoffen in Abhängigkeit der Beanspruchung beschrieben. Als Modellmaterialien kommen die Polymere Polystyrol (PS) und Polypropylen (PP) zum Einsatz, die jeweils mit polybromierten Flammschutzmitteln (PBFSM) versehen sind. Synergistische Effekte der Bewitterungsparameter und der mikrobiologischen Beanspruchung sollen dabei ebenso betrachtet werden, wie die gezielte Alterung. Auch findet eine Beschreibung des Verhaltens der ausgetragenen Schadstoffe in den Umweltkompartimenten Boden oder Wasser statt. Hier sind mit Hilfe der zu entwickelnden Screening- und non-Target-Analyseverfahren die Transformation und der Metabolismus durch Mikroorganismen zu beschreiben. Auch soll mit Hilfe der RFA und der LA-ICP-MS die Abreicherung der PBFSM in den Modellmaterialien beschrieben werden. Aus den Ergebnissen sollen Korrelationen zwischen den künstlichen Alterungsverfahren und realen Szenarien abgeleitet werden.
Atherosklerotische Läsionen können durch Magnetresonanztomographie (MRT) unter Verwendung von sehr kleinen Eisenoxidnanopartikeln (VSOP) sichtbar gemacht werden. VSOP akkumulieren in atherosklerotischen Plaques und dienen somit als Atherosklerosesonde.
Das Ziel dieses Projektes war die Abbildung der Verteilung von Europium-dotierten VSOP (Eu-VSOP) durch Laserablation ICP-MS in histologischen Dünnschnitten der Aortenwurzelregion des ApoE-Knockout-Mausmodells, das reich an atherosklerotischen Plaques ist. Darüber hinaus wurde untersucht, ob die VSOP-Akkumulation in den Plaques mit anderen Biomarkern der Entzündung wie Makrophagen und verändertem Endothel korreliert. Somit wäre eine Beurteilung, ob es sich hierbei um instabile bzw. vulnerable Plaque-Regionen handelt möglich. Zu diesem Zweck wurden Antikörper mit verschiedenen Lanthaniden markiert und mit der Eu-VSOP-Verteilung unter Verwendung von LA-ICP-MS in einem Multiplex-Messmodus korreliert.
Eine mögliche Korrelation von reaktiven Stickstoffspezies (RNS) mit endogenem Eisen oder Eu-VSOP kann ebenfalls durch LA-ICP-MS nachgewiesen werden. Zu diesem Zweck wurden RNS-spezifische Antikörper auch mit Lanthaniden markiert.
In der klinischen Diagnostik werden für zytometrische Messverfahren bereits eine Reihe von Reagenzien eingesetzt zur Markierung von Antikörper eingesetzt, um die Detektion von Biomarkern mittels Fluoreszenz- oder Flugzeitmassenspektrometrie zu ermöglichen.
Seit kurzem ist auch eine Imaging Mass Cytometry Kombination direkt erhältlich, wodurch der Nachweis von Biomarkern in Gewebeschnitten erreicht werden kann. Dazu wird eine Kopplung von Laser Ablation und induktiv gekoppeltem Plasma Massenspektrometrie eingesetzt, wobei ähnlich der Massenzytometrie, zuvor Antikörper mit Metallen markiert, und im Anschluss mit dem Gewebeschnitt inkubiert werden. Durch die hohe Ortsauflösung können die Biomarker lokalisiert, und zukünftig vielleicht auch quantifiziert werden.
Insbesondere Lanthanide eignen sich als Markierungsmetalle, da sie einen niedrigen Untergrund und chemisch ähnliches Verhalten zueinander aufweisen. Allein durch diese Elemente können bereits etwa 15 Parameter unterschieden werden, was durch isotopenreine Standards weiter gesteigert werden kann.
Vom Markierungsgrad abhängig werden unterschiedlich viele Metalle am Antikörper gebunden, und beeinflussen so die Sichtbarkeit im ICP-MS. Nanopartikel könnten daher eine deutliche Steigerung der Sensitivität bewirken. GdVO4 Nanokristalle scheinen bisher sehr vielversprechend und bieten neben multiparametrischen Anwendungen auch Multimodalität.
Die Synthese der Nanokristalle zeigte hohe Homogenität und Reproduzierbarkeit in Partikelgröße in der Zusammensetzung. Ein erstes Experiment mit einer Zellkultur konnte bereits die effiziente Markierung der Zellen unter Beweis stellen, wobei durch hohe Signalstärke auch subzelluläre Auflösung in der LA-ICP-MS erreicht werden konnte.
We are using LA-ICP-MS to quantify metals in biological cells and thin cuts of tissues from varies organs. Different applications will be presented to demonstrate the state of the art of bioimaging to visualize the elemental distribution pattern in soft bio-materials (tissue, single cells) of metals, metal containing stains and metal-tagged antibodies. For this purpose, different strategies for metal tagging will be presented and will be compared in terms of analytical figures of merit. First applications for detection of biomarkers in animal and human tissue samples will be presented.
In a first example, we have applied LA-ICP-MS to visualize the local distribution of proteins, which are used as bio-markers for neurodegenerative diseases. For this purpose, brain tissues from mice experiments have been stained by metal-tagged antibodies. House-keeping proteins have been investigated as internal cellular standards. Additionally, ink-jet printing of metal doped inks onto the surface of tissue samples has been applied for drift corrections and quantification. Validation of our results are achieved in comparison to immune-histochemical staining and optical microscopy.
In a second example, we used specific metal-tagged antibodies for detection of biomarker specific for prostate cancer. For this purpose, micro tissue arrays are incubated with metal-tagged antibodies for bioimaging of samples from many patients using simultaneous detection of all relevant biomarkers and their tags.
For improvement of sensitivity in the next example application nanoparticle tagged antibodies for detection of metallothionines in eye lens tissue samples will be discussed.
Recently we have used our tagging and staining strategies to determine the cell cycle of single cells, which is of future interest for toxicological studies.
Finally, future trends in elemental microscopy and mass cytometry imaging will be discussed.