Direkte Detektion von Silbernanopartikeln in biologischen und Umweltproben - DiDeSiNa
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Hauptziel des Projekts war die Entwicklung eines einfachen und schnellen Verfahrens für die qualitative Analyse (An- bzw. Abwesenheit) von AgNPs (AgNPs) mittels Graphitofen- Atomabsorptionsspektrometrie (GFAAS). Dabei soll die direkte Detektion von AgNPs in festen Lebensmittel- und komplexen Umweltproben ohne Extraktion oder anderweitige Separation aus der Probenmatrix ermöglicht werden. Dieser Punkt ist ein Alleinstallungsmerkmal der Methode, da alle bislang vorgeschlagenen Techniken, wie z.B. single-particle ICP-MS, Feld-Fluss-Fraktionierung oder hydrodynamische Chromatographie, auf der Untersuchung homogener Flüssigkeiten basieren. Auch bildgebende Verfahren, wie die Elektronenmikroskopie, bedürfen einer speziellen Probenvorbereitung. Die Untersuchungen und Ergebnisse im Projekt lassen sich in drei Teile gliedern: Zunächst wurden grundlegende Kriterien untersucht, die zur Auswertung der GFAAS-Signale herangezogen werden können (Höhe, Breite, Fläche, Symmetrie, Anstieg, u.a.), im Anschluss wurden mögliche Matrix- und Coatingeffekte anhand von Modellproben überprüft und letztlich wurden Realmatrices und Referenzmaterial analysiert. Die Atomisierungsverzögerung tad bestätigte sich unter allen Signalkriterien als robustester Parameter, der zur Identifizierung von AgNPs herangezogen werden kann. Zwar zeigten sich an verschiedenen Tagen bzw. mit unterschiedlichen Graphitplattformen Unterschiede in den Absolutwerten. Diese wirken sich jedoch auf alle Analytspezies gleichermaßen aus. Daher kann dies durch die Messung von Referenzproben oder den Vergleich von Differenzen erfasst werden. Auch andere Parameter, wie z.B. die Erscheinungszeit, lassen Unterschiede zwischen Ionen und NPs erkennen, sind aber nicht unabhängig von weiteren Parametern und daher für unbekannte Proben weniger geeignet. Insgesamt belegen die systematischen Untersuchungen der Signalverläufe unterschiedliche Mechanismen der Atomisierung. Ionen atomisieren aus zwei Vorstufen, wobei die erste Stufe einzelne Atome/Ionen und die zweite Stufe in-situ gebildete Cluster sind. Die kinetische Freisetzungsordnung ist dabei 1/3. Dahingegen weist die Atomisierung aus NPs eine Ordnung von 1 auf und findet aus nur einer Vorstufe statt. Für die qualitative Bewertung zur Anwesenheit von NPs spielt die Konzentration im üblichen Messbereich der GFAAS keine Rolle. Der Signalverlauf von Ionen hingegen wird durch die Konzentration z.T. beeinflusst. Zwar ist tad1 der ersten Vorstufe konzentrationsunabhängig, nicht jedoch tad2. Bei höherer Konzentration bilden sich größere Cluster die später atomisieren. Die Bildung der zweiten Stufe kann jedoch verhindert oder stark verringert werden indem das Temperaturprogramm angepasst wird. Alternativ kann für die Signalinterpretation unbekannter Proben auch eine Signalentfaltung durchgeführt werden. Hierfür ist die Erkenntnis entscheidend, dass in Mischungen der Signalverlauf stets eine Linearkombination der einzelnen Komponenten ist, die sich gegenseitig nicht beeinflussen. Daher lässt sich mittels Signalentfaltung auf die Anwesenheit und den Anteil der verschiedenen Spezies schließen. Auch eine Quantifizierung von Gesamtsilber über die Signalfläche ist nach Kalibration möglich. Die Untersuchungen in komplexen Matrices und von AgNPs mit unterschiedlichen Coatings belegen die Anwendbarkeit der Methode. Die Identifizierung von AgNPs ist unabhängig von der Ummantelung der Partikel möglich und wird in komplexen Flüssigkeiten, wie z.B. Bodenextrakten, nicht von der Matrix beeinflusst. Für Silberionen verschiebt sich tad1 (erste Vorstufe) ebenfalls nicht und somit sind Silberionen direkt nachweisbar. tad der zweiten Vorstufe hingegen kann von der Matrix beeinflusst werden. Für quantitative Aussagen muss deshalb die Methode weiterentwickelt werden, z.B. durch den Einsatz eines Modifiers oder durch eine verbesserte Signalentfaltung. Auch in verschiedenen Feststoffen, wie Lebensmittelproben und Muscheln, gelang die Identifizierung von AgNP über tad. Zwar kann das Zersetzungsprofil des Feststoffes den Signalverlauf beeinflussen, was aber durch Zugabe eines chemischen Modifier ausgeglichen werden kann. Letztlich ist es gelungen in einem Matrixreferenzmaterial (Hühnchenfleisch) AgNPs neben Silberionen zu detektieren und sogar deren Größe zu bestimmen. Insgesamt sind somit die Ziele des Projekts alle erreicht worden. Für das vollständige Ausschöpfen des Potentials der Methode und eine zukünftige Anwendung in der Routineanalyse sind vor allem die Weiterentwicklung der Größenbestimmung sowie der quantitativen Auswertung durch Signalentfaltung besonders erstrebenswert. Dies wird im kürzlich gestarteten Projekt ‚Graphite Furnace Atomic Absorption Spectrometry for Sizing Nanoparticles‘ (AASS), gefördert von der DFG, verfolgt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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2016. A direct solid sampling analysis method for the detection of silver nanoparticles in biological matrices. Analytical and Bioanalytical Chemistry 408, 295–305
Feichtmeier, N.S., Ruchter, N., Zimmermann, S., Sures, B., Leopold, K.
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2016. Analytical strategies to the determination of metal-containing nanoparticles in environmental waters. TrAC Trends in Analytical Chemistry 84, 107–120
Leopold, K., Philippe, A., Wörle, K., Schaumann, G.E.
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2017. Sizing gold nanoparticles using graphite furnace atomic absorption spectrometry. J. Anal. At. Spectrom. 32, 723–730
Leopold, K., Brandt, A., Tarren, H.,
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2018. Investigation of the atomization mechanism of gold nanoparticles in graphite furnace atomic absorption spectrometry. Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy 150, 26–32. [Awarded by editoral board of SAB as 2nd best paper in 2018.]
Brandt, A., Leopold, K.
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2018. Retention and remobilization mechanisms of environmentally aged silver nanoparticles in an artificial riverbank filtration system. Science of The Total Environment 645, 192–204
Degenkolb, L., Metreveli, G., Philippe, A., Brandt, A., Leopold, K., Zehlike, L., Vogel, H.-J., Schaumann, G.E., Baumann, T., Kaupenjohann, M., Lang, F., Kumahor, S., Klitzke, S.
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2019. Sizing silver nanoparticles in chicken meat using direct slurry sampling graphite furnace atomic absorption spectrometry. Anal Bioanal Chem 411, 4551–4558
Brucker, D., Leopold, K.
