Eine Neuartige Analyseplattform für die Molekulare und Elementare Spurenanalytik von Mikroplastik in der Umwelt mit Einzelpartikelauflösung

• Antragsteller: Dr. Matthias Elinkmann
• Fachliche Zuordnung: Analytische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 569759298

Plastikabfälle werden weltweit zu einer kritischen ökologischen Bedrohung. Insbesondere kleinste Plastikpartikel (Nano- und Mikroplastikpartikel, NMPs), bergen ein hohes Risiko für Mensch und Umwelt, da NMPs sowohl persistent als auch mobil und bioverfügbar sind. Ein genaues Verständnis der Belastung durch NMPs ist wegen Einschränkungen bestehender Analysenmethoden nicht zugänglich. Insbesondere fehlen Techniken, die wässrige Suspensionen mit hohem Probendurchsatz und solider Spezifizität hinsichtlich der Polymerzusammensetzung und Partikelgröße analysieren. Darüber hinaus sind NMPs in der Umwelt massiven Alterungsprozessen durch Oxidation und UV-Strahlung unterworfen. Diese Prozesse verändern zentrale Eigenschaften wie Größe und funktionelle Gruppen des Polymergerüsts. Infolgedessen adsorbieren und akkumulieren gealterte NMPs vermehrt andere Schadstoffe aus der Umwelt, wobei insbesondere Schwermetalle im Fokus stehen. Dies erweitert die analytische Fragestellung um eine elementanalytische Komponente. Das Projekt setzt hier an, um eine neue Analysenplattform zur Charakterisierung von Mikroplastik in der Umwelt auf Basis von zwei orthogonalen Techniken zu etablieren. Diese sind in der Lage, die Polymer- und Spurenelementzusammensetzung, Größe, Anzahl, und den Alterungsgrad von NMPs auf Einzelpartikelbasis zu charakterisieren. Die erste Komponente ist eine gänzlich neue Technik, die sogenannte optofluidic force induction (OF2i). Sie kann in Wasser suspendierte NMPs in einem speziellen Vortex-Laserstrahl einfangen, festhalten und mittels Lichtstreuung charakterisieren. Dieses einzigartige Verfahren erfasst nicht nur Partikelgröße und -anzahl, sondern erzeugt aus dem unelastisch gestreuten Lichtanteil Raman-Spektren zur Aufklärung der Polymerspezies. Eine zentrale Neuerung ist, OF2i direkt mit der induktiv gekoppelten Plasma-Flugzeitmassenspektrometrie (ICP-TOFMS) zu verbinden. Dank jüngster Innovationen können elementare Massenanteile spektral und auf Einzelpartikelbasis (spICP MS) bestimmt werden. Durch die neuartige Kopplung werden erstmalig quantitative Daten zu den wesentlichen Partikelparametern im großen Maßstab und als non-target Analytik zugänglich gemacht. Das Projekt fasst die Methodenentwicklung in drei Phasen. Zuerst werden beide Techniken für die Analytik von NMPs optimiert. Anschließend wird ein auf Mikrofluidik basierendes Interface eingesetzt, um Partikel verlustfrei zwischen den Instrumenten zu transferieren. Parallel dazu werden Algorithmen entwickelt, die Raman- und ICP-TOFMS Daten für einzelne Partikel korrelieren. In der dritten Phase wird die Schwermetallaufnahme von NMPs zunächst mit durch Ozonierung gealterten Partikeln untersucht. Anschließend werden Flusswasserproben aus der Mur (Steiermark, Österreich) an Einleitungsstellen von Kläranlagen genommen, um erstmalig umweltrelevante NMPs umfassend mittels OF2i-Raman-spICP-TOFMS zu charakterisieren.

• DFG-Verfahren: WBP Stipendium
• Internationaler Bezug: Österreich
• Gastgeber: Professor Dr. David Clases