Simultane Bestimmung von Mikroplastik in Umweltproben mittels 1H-qNMR
- Die Produktion und der Einsatz polymerer Werkstoffe steigen seit Jahren kontinuierlich.
Gleichzeitig wächst damit auch der Eintrag von Mikroplastik (MP) – kleinster Partikel aus
der Abnutzung jener Materialien – in unsere Umwelt. Ein Bewusstsein für MP ist
mittlerweile in breiten Teilen der Bevölkerung angekommen, sodass Forschung und
Entwicklung auf diesem Gebiet ebenfalls immer mehr an Bedeutung gewinnen. Die
Unzureichende Standardisierung und das Fehlen geeigneter Analysemethoden
erschweren jedoch noch immer die Erfassung und Nachverfolgung von MP, sodass es
nach wie vor weitestgehend unreguliert bleibt. Für die Etablierung gesetzlicher Reglungen
sind vor allem massebasierte Analysemethoden von Vorteil. Neben
thermogravimetrischen Methoden existieren jedoch bisher kaum Alternativen auf diesem
Feld. In diesem Kontext wird seitDie Produktion und der Einsatz polymerer Werkstoffe steigen seit Jahren kontinuierlich.
Gleichzeitig wächst damit auch der Eintrag von Mikroplastik (MP) – kleinster Partikel aus
der Abnutzung jener Materialien – in unsere Umwelt. Ein Bewusstsein für MP ist
mittlerweile in breiten Teilen der Bevölkerung angekommen, sodass Forschung und
Entwicklung auf diesem Gebiet ebenfalls immer mehr an Bedeutung gewinnen. Die
Unzureichende Standardisierung und das Fehlen geeigneter Analysemethoden
erschweren jedoch noch immer die Erfassung und Nachverfolgung von MP, sodass es
nach wie vor weitestgehend unreguliert bleibt. Für die Etablierung gesetzlicher Reglungen
sind vor allem massebasierte Analysemethoden von Vorteil. Neben
thermogravimetrischen Methoden existieren jedoch bisher kaum Alternativen auf diesem
Feld. In diesem Kontext wird seit einigen Jahren der Einsatz der
Kernresonanzspektroskopie (NMR) nach vormals nur qualitativer Anwendung auf MP nun
auch für ihre quantitative Nutzung geprüft. Diese Arbeit befasst sich mit dem aktuellen
Stand der quantitativen NMR-Spektroskopie (qNMR) und testet Möglichkeiten zur
Optimierung und Weiterentwicklung im Bereich der MP-Analytik. Zu Beginn wird die
Reduzierung von Probenmengen und damit Aufwand und Messdauer der Methode durch
Zusammenlegung verschiedener Polymertypen in gemeinsam messbare Gruppen sowie
der Eignung homopolymerer Kalibrierungen für die Detektion von Copolymeren geprüft.
Bestehende Restriktionen während der Messung werden sich zu Eigen gemacht und
extraktive Verfahren zur Probenvorbereitung implementiert. Schließlich wird der Einfluss
realer Umweltproben erfasst und Maßnahmen zur Reduktion von Störfaktoren erarbeitet.
Im Ergebnis umfasst die Methode mindestens sechs Polymertypen von PMMA, PS, BR und
PVC bis hin zu PA und PET sowie separate Ansätze für Polymere wie PAN und LDPE. Ein
modulares Probenvorbereitungsprotokoll, inklusive extraktiver Fraktionierung in
Messgruppen und chemischen Aufschlusses zur Matrixreduktion, wird etabliert und um
Möglichkeiten zur Diffusionsmessung und Anwendung auf Niederfeldgeräten erweitert.
Die praktische Anwendung wird an realen Beispielen, wie Fließgewässerbiofilmen sowie
zur Qualitätskontrolle von zertifizierten Referenzmaterialien, vorgestellt. Darüber hinaus
werden erste Einblicke in zukünftige Entwicklungsmöglichkeiten, etwa zur Detektion von
Reifenabrieb, gegeben.…


- The production and use of polymeric materials have been increasing continuously for
years. At the same time, the entry of microplastics (MP) – tiny particles resulting from the
wear and tear of these materials – into our environment is growing as well. By now,
awareness of MP has reached broad sections of the population and also research and
development on this field are similarly becoming increasingly important. However,
insufficient standardization and the lack of suitable analytical methods still make
recording and tracking of MP difficult, so that it remains largely unregulated. Mass-based
analytical methods are particularly advantageous for the establishment of legal
regulations. Apart from thermogravimetric methods, however, there are currently few
alternatives in this field. In this context, the use of nuclear magneticThe production and use of polymeric materials have been increasing continuously for
years. At the same time, the entry of microplastics (MP) – tiny particles resulting from the
wear and tear of these materials – into our environment is growing as well. By now,
awareness of MP has reached broad sections of the population and also research and
development on this field are similarly becoming increasingly important. However,
insufficient standardization and the lack of suitable analytical methods still make
recording and tracking of MP difficult, so that it remains largely unregulated. Mass-based
analytical methods are particularly advantageous for the establishment of legal
regulations. Apart from thermogravimetric methods, however, there are currently few
alternatives in this field. In this context, the use of nuclear magnetic resonance
spectroscopy (NMR), previously only qualitatively applied to MP, has now also been
examined for its quantitative benefits. This work deals with the current state of
quantitative NMR spectroscopy (qNMR) and tests possibilities for optimization and further
development for this purpose. Initially, the reduction of sample volumes and thus
minimized effort and measurement time of the method will be examined by combining
different polymer types into simultaneously measurable groups, as well as the suitability
of homopolymer calibrations for the detection of copolymers. Existing restrictions during
measurement will be adopted, and thus extractive procedures for sample preparation are
implemented. Finally, the influence of real environmental samples will be assessed, and
measures to reduce interfering factors will be taken in to account. As a result, the method
encompasses at least six polymer types, from PMMA, PS, BR, and PVC to PA and PET, as
well as separate approaches for polymers such as PAN and LDPE. A modular sample
preparation protocol, including extractive fractionation into measurement groups and a
chemical digestion method for matrix reduction, will be established and expanded to
include options for diffusion measurement and application to low-field instruments.
Practical application will be presented using real-world examples, such as freshwater
biofilms, as well as the use for quality control of certified reference materials.
Furthermore, initial insights into future development possibilities, like for the detection of
tire abrasion, will be provided.…


| Author: | Marcel Günther |
|---|---|
| URN: | urn:nbn:de:hbz:kob7-25941 |
| DOI: | https://doi.org/10.82549/opus4-2594 |
| Referee: | Wolfgang Imhof, Thomas Ternes |
| Document Type: | Doctoral Thesis |
| Language: | German |
| Date of Publication (online): | 2025/08/28 |
| Date of first Publication: | 2025/09/16 |
| Publishing Institution: | Universität Koblenz, Universitätsbibliothek |
| Granting Institution: | Universität Koblenz, Fachbereich 3 |
| Date of final exam: | 2025/07/16 |
| Release Date: | 2025/09/16 |
| Tag: | Kernresonanzspektroskopie; Mikroplastik NMR |
| Page Number: | 250 |
| Institutes: | Fachbereich 3 / Institut für Integrierte Naturwissenschaften / Institut für Integrierte Naturwissenschaften, Abt. Chemie |
| Dewey Decimal Classification: | 5 Naturwissenschaften und Mathematik / 54 Chemie / 543 Analytische Chemie |
| BKL-Classification: | 35 Chemie / 35.25 Spektrochemische Analyse |
| 35 Chemie / 35.80 Makromolekulare Chemie | |
| Licence (German): | Es gilt das deutsche Urheberrecht: § 53 UrhG |

