Projekt 34636/01

Entwicklung einer reproduzierbaren Probenextraktion und Auswertesoftware für die schnelle und sichere Analytik von Kunststoffen (Mikroplastik) in Grund- und Oberflächengewässern sowie in Wässern aus Behandlungsanlagen

Projektdurchführung

Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) Abteilung 6.6 Nanotribologie und Nanostrukturierung von Oberflächen
Unter den Eichen 87
12205 Berlin

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Im Vorhaben soll der thermische Extraktionsprozess der TED-GC/MS in der Kopplung verstanden und optimiert werden. Durch eine angepasste Software soll die Auswertung durch Lablicate vereinfacht, sicherer und schneller gemacht werden. Dies alles dient am Ende dazu, ein Verfahren zur Bestimmung von Kunststoffen in der Umwelt über die Verbesserung der Reproduzierbarkeit, der Empfindlichkeit sowie der Sicherheit und Schnelligkeit bei der Datenanalyse maßgeblich zu verbessern und zu validieren. Dadurch kann nach einer reproduzierbaren Aufbereitung ein sicheres und verlässliches Monitoring der Belastung von Grundwasser und Oberflächengewässern mit Kunstoffen (Mikroplastik) durchgeführt werden.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDer instrumentelle Teil des Projektes konzentrierte sich auf die Optimierung des Kopplungsmoduls. Gerstel entwickelte dieses weiter, stellte einen alternativen TDU-Adapter zur Verfügung, untersuchte eine alternative Festphase wurde auf ihre Eignung mithilfe von Einzelpolymeren und Polymermischungen und strebte einen Vergleich zwischen Pyrolyse-GC/MS und TED-GC/MS an. An der BAM wurde ein neues Dichtungsmaterial eingeführt, der TDU-Adapterprototyp untersucht und die Temperatur der Festphase im Kopplungsmodul systematisch variiert. Hierfür wurden Umweltproben und Modellproben mit bekannten Mikroplastikgehalten für Messungen an der TED-GC/MS verwendet. Lablicate adaptierte im Projektbereich der Datenauswertung die Open-Source-Software OpenChrom auf die Anforderungen der MP-Analytik mittels TED-GC/MS. Verschiedene Peakdetektionsalgorithmen wurden in die Software integriert. Die implementierten Stapelverarbeitungs- und Prozessmethoden ermöglichen die Verarbeitung ganzer Datensätze. Es wurden die Module Template Peak Detektion und Peak Review zur gezielten Detektion von bekannten Polymerzersetzungsprodukten und zur manuellen Nachbearbeitung eingeführt. Als Datengrundlage dienten TED-GC/MS-Chromatogramme von Umwelt- und Modellproben. Die weiterentwickelte Software wurde an der BAM auf ihre Praxistauglichkeit hin überprüft.
Die Arbeiten konnten unabhängig voneinander durchgeführt werden.


Ergebnisse und Diskussion

Im Projekt MicroExtract konnten wesentliche Verbesserungen des thermoanalytischen Analysensystems TED-GC/MS, sowohl in Hinsicht auf apparative Parameter als auch auf die Datenverarbeitung, erzielt werden. Die Einführung eines neuen Dichtungsmaterials eliminierte Leckagen und senkte die Kosten. Die Nachweis- und Bestimmungsgrenzen konnten hierdurch nicht verbessert werden. Der Wartungsaufwand konnte durch Weiterentwicklung des Kopplungsmoduls verringert werden. Die Untersuchungen zur Festphasentemperatur ermöglichen eine erhebliche Steigerung der Empfindlichkeit für einzelne Polymere oder eine moderate Empfindlichkeitssteigerung für alle relevanten Polymere. Hierfür sollten die Versuche in feineren Temperaturschritten und mit PE wiederholt werden. Die zukünftige Nachrüstung einer Kühloption für die TDU des Kopplungsmoduls sollte in Betracht gezogen werden. Die Verwendung von Prototypen eines modifizierten TDU-Röhrchenadapters zeigte keine Auswirkungen auf die Empfindlichkeit des Systems. Der Verzicht auf einen Adapter erhöhte die Empfindlichkeit, jedoch ging hierdurch der Automatisierungsvorteil verloren. Bei Proben, bei denen sehr niedrige Nachweisgrenzen gefordert sind, könnte ein solches Vorgehen aber erwogen werden. Zunächst geplante Simulationen des Pyrolysegasstromes bei verschiedenen Festphasen- und TDU-Röhrchengeometrien wurden als nicht zielführend verworfen, da zum einen das Design der Röhrchen nur mit nicht vertretbarem Aufwand zu modifizieren wäre und zum anderen die Festphasen nicht in Geometrien erhältlich sind, die sich vom bisher verwendeten Zylinder unterscheiden. Eine Festphase, die sich chemisch von der Standardlösung unterscheidet, zeigte Potential zur Detektion von PVC bei vergleichbaren Nachweisgrenzen für alle anderen Polymer, jedoch mit Abstrichen bei der Automatisierbarkeit und dem Arbeitsaufwand. Pandemiebedingt entfallen mussten Untersuchungen zur Reproduzierbarkeit und Systemempfindlichkeit bei Verwendung von alternative Festphasengeometrien sowie Versuche zur Verschachtelung der Analysenläufe zur Steigerung der Messgeschwindigkeit. Diese Arbeiten sollten zukünftig erfolgen.
Die Adaption der Open-Source-Software OpenChrom auf die Anforderungen der MP-Analytik hat wichtige Hürden genommen. Durch die Integration von Peakdetektionsalgorithmen in OpenChrom ist die Detektion und Entfaltung komplex überlagernder Peaks ermöglicht worden. Hierdurch ist auch die Zugänglichkeit der Software für die Nutzer verbessert, da externe Programme, die unterschiedliche Betriebssysteme und damit eine zusätzliche Emulation voraussetzten, innerhalb von OpenChrom verfügbar wurden. Durch die Integration von Stapelverarbeitungs- und Prozessmethoden sind große Datenmengen automatisch verarbeitbar. Mit der Template Peak Detektion und einem interaktiven Peak Review ist die derzeit unumgängliche Begutachtung der automatisch erzeugten Detektions- und Integrationsergebnisse durch den Anwender in einem geführten Prozess ermöglicht worden. Die geplante Nutzung des Add-ons ChromIdent zur vollautomatischen Polymeridentifizierung und Generierung objektiver Bewertungsmaßstäbe ist noch nicht vollständig gelungen, wird aber weiterverfolgt.



Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die im Projekt gewonnenen Erkenntnisse konnten aufgrund von Einschränkungen im Zuge der SARS-CoV-2-Pandemie nicht wie geplant bei den Konferenzen PYRO2020 (stattdessen Beitrag bei der PYRO 2022), der Tagung der Wasserchemischen Gesellschaft oder der Woche der Umwelt präsentiert werden. In Schulungen zur TED-GC/MS sowie im Austausch mit Nutzern bestehender Systeme werden die Ergebnisse aber verwendet und so in der Community weitergegeben. Die Verwendung der Daten als Teil einer kommenden peer-reviewed Veröffentlichung ist geplant.


Fazit

Im Projekt MicroExtract konnten wesentliche Verbesserungen des thermoanalytischen Analysensystems TED-GC/MS, sowohl in Hinsicht auf apparative Parameter als auch auf die Datenverarbeitung, erzielt werden. Der instrumentelle Teil des Projektes konzentrierte sich auf die Optimierung des Kopplungsmoduls. Im Bereich der Datenauswertung wurde die Open-Source-Software OpenChrom auf die Anforderungen der MP-Analytik mittels TED-GC/MS adaptiert. Ein Teil der geplanten Projektarbeiten wie auch der Öffentlichkeitsarbeit konnten aufgrund von Einschränkungen im Zuge der SARS-CoV-2-Pandemie nicht vorgenommen werden.