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.show moreshow less
  • 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.show moreshow less

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Metadaten
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
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