Identifizierung und Zählung von Mikroplastikpartikeln in Oberflächengewässern
Vollautomatische Hochdurchsatzanalyse von stehendem Wasser, die einen großen Partikelgrößenbereich erfasst und eine detaillierte zahlenbasierte Spektralklassifizierung liefert, einschließlich der Clusterbildung unbekannter Materialien für weitere Untersuchungen.
Proof-of-Concept-Experiment
Für diese Proof-of-Concept-Fallstudie wurde Oberflächenwasser nach Regenfällen verwendet. Die Probe wurde mit einer kontrollierten Anzahl und Größe von 5 μm großen Polystyrolpartikeln (Applied Microspheres PharmaCounts Traceable Particle Count Control 3M005-25, 3000 ± 300 Partikel/ml) gemischt. Die Mischung wurde im Verhältnis 1:1 hergestellt, wodurch eine realistische Umweltmatrix mit bekannten Mikroplastikpartikeln
mit einer geschätzten Konzentration von 1500 Partikeln pro Milliliter entstand.
Anschließend wurden die Raman-Spektren der Raman-aktiven Populationen in demselben Gerät aufgezeichnet. Die Raman-Spektren wurden mithilfe der H.A.N.S.-Software automatisch klassifiziert und ausgewertet.
Sowohl die OF2i®- als auch die Raman-Messungen wurden an derselben Probe durchgeführt. Während der Raman-Messung, die etwa 50 Minuten dauerte, wurden insgesamt 66 Raman-aktive Partikel in einem gescannten Gesamtvolumen von etwa 4,5 ml nachgewiesen.
Abbildung 1: Nachweis von Polystyrolpartikeln in stehenden Oberflächenwasserproben, mit einer weiteren Analyse der 66 nachgewiesenen Raman-aktiven Partikel
Datenanalyse
Die Raman-aktiven Partikel wurden in der Software entsprechend ihrer Spektren weiter kategorisiert und in Cluster gruppiert, siehe Abbildung 1, oben links. Neben dem gespikten Polystyrol (Abbildung 1, links) konnten weitere mit teilweise schwachen, teilweise ausgeprägten Raman- und unterschiedlichen Fluoreszenzspektren unterschieden werden.
Eine abschließende Übersichtsgrafik des durchgeführten OF2i®-Raman-Scans ist in Abbildung 2 dargestellt. Sie zeigt das Auftreten und die zeitliche Verteilung der erfassten Partikelkategorien über den 50-minütigen Messzeitraum hinweg, zusammen mit den entsprechenden durchschnittlichen PS-Raman-Spektren, Fluoreszenzsignalen und anderen Partikelsignalen.
Abbildung 2: Links: Auftreten und zeitliche Verteilung verschiedener Partikelkategorien über den gesamten Messzeitraum, dargestellt anhand der spezifischen Zeitpunkte, zu denen jeder Partikeltyp während des 50-minütigen Scans erfasst wurde.
Rechts: Mittlere Raman-Spektren für jede Partikelkategorie. Die schattierten Bereiche stellen die Standardabweichung vom Mittelwert (SEM) dar und zeigen die Abweichungen zwischen den einzelnen Messungen an.
Zusammenfassung
Die kombinierte OF2i®-Raman-Methode ermöglicht eine vollautomatische und kontinuierliche Analyse von Mikro- und Nanoplastiken. Hier wurde das BRAVE B-Elementary OF2i®-Raman-Gerät verwendet, um MNPs in komplexen Umweltmatrizen zu messen, darunter auch gespiktes Oberflächenwasser nach Regenfällen, wobei nur minimale bis gar keine Probenvorbereitung erforderlich war.
Die Messungen werden im Durchfluss durchgeführt, wobei die OF2i®-Partikelgrößenbestimmung mit der Einzelpartikel-Raman-Identifizierung in einem Gerät kombiniert wird. Insgesamt wurden innerhalb von ~50 Minuten 66 Raman-aktive Partikel in 4,5 ml Probe nachgewiesen, wobei die automatisch ermittelte Polystyrolkonzentration 1172 Partikel/ml betrug – was nahezu der bekannten gespikten Konzentration entspricht – und somit selbst bei Vorhandensein erheblicher Hintergrundpartikel hohe Wiederfindungsraten nachgewiesen wurden.
Das Verfahren ermöglicht eine vollautomatische Analyse mit hohem Durchsatz, erfasst Partikel in einem breiten Größenbereich und liefert eine detaillierte zahlenbasierte Spektralklassifizierung, einschließlich der Clusterbildung unbekannter Materialien für weitere Untersuchungen. Das System erkennt Kunststoffpartikel ab 600 nm (Nachweisgrenze für Polymere) und starke Raman-Streuer wie TiO2 ab 250 nm, wobei die obere Nachweisgrenze bei 50 μm liegt. Die Robustheit gegenüber organischen und anorganischen Störungen in Verbindung mit dem Wegfall komplexer
Vorbehandlungsschritte macht OF2i®-Raman zu einem leistungsstarken Werkzeug für Forschung und Routineüberwachung.
Dieser OF2i®-Raman-Ansatz unterstützt eine schnelle und zuverlässige MNP-Erkennung sowohl im Labor als auch bei Routineanalysen und im Feld und ermöglicht so bessere Daten für Umwelt- und Gesundheitsrisiko-Bewertungen.
Referenzen
[1] Optofluidic Force Induction as a Process Analytical Technology –
Šimić et al. (https://doi.org/10.48550/arXiv.2307.05369)
Konfiguration:
BRAVE B-Curious mit BRAVE B-Elementary Hardware-Modul für Ramananalyse, Fluid-Automatisierungsmodul, Kontroll- und Evaluierungsmodule & Software
Der in diesem Fall verwendete Analyseaufbau
Das BRAVE B-Elementary Hardware-Modul ist eine optionale Erweiterung für die BRAVE B-Curious Basisstation.
Das BRAVE B-Elementary-Modul detektiert und identifiziert Partikel (<1 µm) und Mikroplastik (1 µm bis 50 µm) mittels Raman-Spektroskopie.
Automatisierte Messung und minimale Probenvorbereitung für benutzerunabhängige Ergebnisse.
Kontinuierliche In-Flow-Messung, ideal zum Nachweis geringer Partikelkonzentrationen, auch bei fluoreszierenden Substanzen.
