Chemische Charakterisierung und Spurenanalytik
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Diatoms are located at the bottom of the food chain. Toxicological relevant metals can possibly accumulate within the food web and cause harmful effects. Diatoms are a test system in ecotoxicology. Toxicological effects weaken the growth of algae which is by default investigated by means of fluorescence detection. On basis of the expose concentration as well as obtained fluorescence data potential threshold exceedance in e.g. surface waters is assessed.
However, this approach does not allow for the determination of “real” accumulated metal concentration in diatoms. Common approaches are based on bulk analysis via e.g. ICP-MS, ICP-OES or AAS. But, biological variability is completely disregarded.
To tackle this problem, alternative approaches are highly needed. Within the last years, sp-ICP-MS for nanoparticle as well as single cell analysis turned out as a powerful technique to analyze metal contents as well as size distributions on broad size range. But, common ICP-MS systems do not allow for multi-element detection within single particle/cell events. Thus, simultaneous MS detection devices are needed - just recently, ICP-ToF-MS experienced a revival.
Within our previous work, we developed an automated sample introduction system based on a HPLC system on-line with single particle-ICP-MS, which allowed for ionic background separation and single algae analysis. However, for unambiguous tracing several fingerprint elements and multielement analysis in single algae (diatoms) is needed. Thus, we coupled our previous setup on-line to ICP-ToF-MS. Test diatom species were exposed to test substances (Zn) as well as nanoparticles (FeNPs).
The developed setup allowed for a fast, automated and multielement analysis in single diatoms. Furthermore, we combined our approach with multivariate data assessment - multielement detection of characteristic fingerprint elements allowed for an unambiguous diatom tracing. Clustering of diatoms according to metal exposure concentration levels was enabled. Our approach is a new potential tool in ecotoxicological testing.
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.