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Speziesanalytik

Arbeitsgruppe 3.22

Profil

Aufgabe der Arbeitsgruppe "Speziesanalytik" ist die rückführbare Bestimmung von Elementspezies.

Zur Beurteilung der biologischen, chemischen und toxikologischen Einflüsse von Elementen in der Natur ist es unbedingt erforderlich, neben dem Gesamtgehalt der Elemente, der meist in der Gesetzgebung reguliert ist, auch die Gehalte der Verbindungen (Spezies), in denen die Elemente vorliegen, zu kennen. Da diese Elementspezies ganz unterschiedliche Eigenschaften haben, ist eine Beurteilung der Relevanz eines gewissen Elementanteils an einer Probe nur in Verbindung mit einer speziesanalytischen Charakterisierung zuverlässig möglich.

Verschiedene Verbindungen eines Metalls können

  • unterschiedliche Löslichkeit und damit Mobilität: z. B. As2S3 0,0005 g/L versus Na2HAsO4 610 g/L
  • unterschiedliche Toxizität: z B. Hg2Cl2 LD50 210 mg/kg, MeHgCl LD50 29,9 mg/kg
  • unterschiedliche Bioverfügbarkeit

aufweisen. Das bedeutet, dass je nach Verbindung die gleiche Gesamtmenge eines Elements ganz unterschiedliche Wirkungen aufweisen kann. Deutlich wird das z.B. anhand folgender Kupferverbindungen:

Kupfer in unterschiedlichen Verbindungen mit sehr verschiedener Toxizität: Kupfersulfat und -oktanoat als Fungizide im Weinbau, Kupfergluconat als Nahrungsergänzungsmittel und Ceruloplasmin als Kupferspeicherprotein

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Forschung/Entwicklung

Soweit möglich setzen wir zur quantitativen Bestimmung der Elementspezies Isotopenverdünnungsanalyse-Massenspektrometrie (IDMS) ein. Dabei unterscheidet man zwei verschiedene Ansätze: die spezies-spezifische IDMS und die Postcolumn IDMS. Im Falle der spezies-spezifischen IDMS haben Spike und Analyt die gleiche chemische und strukturelle Zusammensetzung, nur die Isotopensignatur ist unterschiedlich. Deshalb ist er der ideale interne Standard, der sich während Probenvorbereitung und Detektion identisch mit dem Analyten verhält und die rückführbare Quantifizierung ermöglicht.

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Klinische Chemie

Illustration der Rückfürhbarkeit von der Blutabnahme über Referenzmaterialien zum SI

Verschiedene nationale und internationale Richtlinien fordern, dass Messergebnisse klinischer Parameter auf Referenzmaterialien und Referenzmethoden höherer Ordnung rückgeführt sein müssen. Dazu gehören die EU Richtlinie für in vitro Diagnostika (98/79/EC) und die "Richtlinie der Bundesärtzekammer zur Qualitätssicherung laboratoriumsmedizinischer Untersuchungen". Dennoch gibt es für viele klinische Analyten, besonders für Proteine, keine Referenzmethoden oder matrixangepasste Referenzmaterialien. Diese Situation zu verbessern und Messverfahren mit Ergebnissen, die auf das SI rückführbar sind, zu entwickeln, sehen wir als einen unserer Arbeitschwerpunkte.

Unser Ziel ist es, Referenzmethoden für wichtige Marker der klinischen Diagnostik zu entwickeln, die auf das SI rückführbare und damit vergleichbare und verlässliche Ergebnisse liefern. Es kann unterschieden werden in:

Rückführbare Quantifizierung kleiner MoleküleRückführbare Quantifizierung kleiner Moleküle

Neben Proteinen, Zellen und den Ribonucleinsäuren spielen auch kleine Moleküle wie Kreatinin, Harnsäure und ähnliche eine große Rolle bei der klinischen Diagnostik. In manchen Fällen, in denen die Bestimmung der kompletten Proteine schwierig ist, wird auch der Umweg über ihre kleineren Einheiten wie Peptide und Aminosäuren gegangen. Ein Beispiel ist hier die Bestimmung von Selenomethionin zur Einschätzung des Selenstatus eines Patienten anstelle der Bestimmung von Selenoproteinen.

Selen ist ein essentielles Element, dessen physiologischer Bereich allerdings sehr eng ist. Bei einer Tagesdosis von < 30 µg für einen Erwachsenen können Mangelerscheinungen, während bei einer Tagesdosis > 700 µg mit Vergiftungserscheinungen gerechnet werden muss. Selen ist Bestandteil wichtiger Proteine wie zum Beispiel Glutathionperoxidase, das an der Abwehr von oxidativem Stress beteiligt ist. Es hat sich auch gezeigt, dass die gleichzeitige Gabe von Selen während einer Chemotherapie die Nebenwirkungen mindert. Um Vergiftungen vorzubeugen, ist eine genaue Bestimmung des Selengehaltes im Blut erforderlich. Selenomethionin ist dabei ein häufig verwendeter Marker, auch wenn es nicht Bestandteil der Selenoproteine ist, die Selenocystein enthalten. Selenosystein ist aber frei sehr instabil und nur schwer verläßlich zu quantifizieren. Im Rahmen des iMERA plus Projektes T2.J10 TRACEBIOACVTIVITY wurde eine Methode zur rückführbaren Quantifizierung von Selenomethionin in Serum mit Hilfe von 76Se markiertem Selenomethionin und Isotopenverdünnungsanalyse entwickelt.

Rückführbare Quantifizierung von MetallproteinenRückführbare Quantifizierung von Metallproteinen

Hämoglobin (http://www.rcsb.org/pdb/)

Metallproteine stellen mit um die 30 % des gesamten Proteoms eine wichtige Gruppe von möglichen Markern für Erkrankungen dar. Beispiele hierfür sind Hämoglobin und Transferrin als Marker für Anämie und Entzündungserkrankungen, Superoxiddismutase, die Zellen vor oxidativem Stress schützt, oder auch Ceruloplasmin, das Kupferspeicherprotein, ein Marker für die Wilson- bzw. Menkeerkrankung. Für viele Proteine gibt es bislang keine Referenzmessmethoden. Dies führt dazu, dass es für jedes Messkit der verschiedenen Hersteller eigene Referenzbereiche gibt. Eine Vergleichbarkeit der Ergebnisse ist deshalb in vielen Fällen problematisch.

Für die quantitative Bestimmung der Metallproteine kommt bei uns hauptsächlich die spezies-spezifische Isotopenverdünnungsanalyse zum Einsatz. Dazu wird das Proteine, das das funktionelle Metall in isotopenangereichterter Form enthält, der sogenannte Spike, zu Beginn der Probenvorbereitung zur Probe gegeben. Ideallerweise verhalten sich Spike und untersuchtes Protein während Probenvorbereitung, Trennung und Detektion gleich, so dass eventuelle Verluste oder Umwandlungen keine Auswirkung auf das Ergebnis haben.

 

Superoxiddismutase: Austausch von Kupfer und Zink mit natürlichem Isotopenverteilung gegen Kupfer und Zink, angereichert in je einem Isotop.

Im Rahmen des EMRP Projekts "Opens external link in new windowMetrology for Metalloproteins - HLT05" wurden spezies-spezifische Spikes und Messmethoden für Bestimmung von Hämoglobin, Transferrin, Superoxiddismutase, Ceruloplasmin und Selenoprotein P sowie Glutathionperoxidase zusammen mit Partnern aus ganz Europa entwickelt.

Die Ergebnisse werden jetzt im Rahmen des EMPIR Projektes Opens external link in new windowReMiND- 15HLT02 auf die Untersuchung der Rolle dieser Metallproteine auf die Entstehung und Entwicklung von Alzheimer angewendet.

Umweltanalytik

Viele Substanzen, die in unseren Gebrauchsgegenständen enthalten sind, finden sich letztendlich in der Umwelt wieder. Die Freisetzung erfolgt entweder noch in der Lebenszeit des Produkts (wie das Herauslösen von Tributylzinn aus Fäulnis verhindernden Farben im Schiffsbau) oder anschließend aus Kläranalagen (z.B. Arzneimittel und ihre Metaboliten, die wieder ausgeschieden werden) und Mülldeponien und -verbrennungen. Aus Wasser und Boden können die Schadstoffe dann über die Nahrungskette schließlich auch wieder den Menschen erreichen.

Unterschieden werden muss hauptsächlich zwischen polaren Substanzen, die sich in Wasser lösen können, und unpolaren, die an Partikel oder im Boden gebunden werden. In der Europäischen Wasserrahmenrichtlinie (Direktive 2000/60/EC (novelliert durch die Direktive 2013/39/EU) und die assozierten Direktiven 2008/105/EC  und 2009/31/EC) wird deshalb für die Bestimmung von organischen Analyten die Bestimmung von Gesamtwasser gefordert. Dies schließt neben der eigentlichen Wasserphase auch die Schwebstoffe und Sedimente mit ein. 

Beispiele hierfür sind:

Flammschutzmittel in WasserFlammschutzmittel in Wasser

Polybromierte Diphenylether (PBDE) gehören zu den häufigsten Flammschutzmitteln in Polyurethanschäumen. Diese Schäume werden in Autositzen, Möbeln und Verpackungsmaterial eingesetzt. Daneben finden sich diese Flammschutzmittel auch in elektronischen Geräten und Kleidung. Der sogenannte Pentamix, PBDE mit durchschnittlich fünf Bromatomen je Molekül, wurde 1997 in der EU verboten. Zu diesem Zeitpunkt betrug die weltweite Produktion etwa 4000 Tonnen dieses Mixes. Da es sich bei PBDE um additive, also nicht festgebundene, Flammschutzmittel handelt und die Gebrauchsgegenstände, in denen sie eingesetzt wurden, eine lange Lebenszeit haben, werden die in dem Mix enthaltenen PBDE allerdings immer noch freigesetzt. Trotz ihrer geringen Wasserlöslichkeit (2 – 10 µg/L), reichern sie sich in der Nahrungskette an und sind obendrein nur schwer biologisch abbaubar. Die EU Mitgliedstaaten kamen deshalb zu dem Ergebnis, dass von den PBDE eine Gefahr für die öffentliche Gesundheit und für die Wasserökosysteme ausgehen könnte, zumal es Hinweise gibt, dass die PBDE, die im Pentamix enthalten sind, ähnlich wie Schilddrüsenhormone wirken könnten. 

Aus diesem Grund wurden die PBDE aus dem Pentamix in die Liste der prioritären Stoffe der Europäischen Wasserrahmenrichtlinie aufgenommen (Direktive 2000/60/EC und die ihr zugehörigen Direktiven 2008/105/EC und 2009/90/EC). Die etablierten Umweltqualitätsstandards (EQS) waren bis 2014 mit 0,5 ng/L für Binnenoberflächengewässer und 0,2 ng/L für alle anderen Oberflächengewässer sehr niedrig. Deshalb sind sehr sensitive und selektive Messmethoden notwendig, um die PBDE in Wasserproben zuverlässig und mit anderen Laboren in Europa vergleichbar messen zu können. Im Rahmen des European Metrology Research Programmes (EMRP) konnten die erforderlichen Methoden im Projekt Opens external link in new windowENV08 entwickelt werden. Zum Einsatz kam vor allem spezies-spezifische Isotopenverdünnung mit Gaschromatographie zur Trennung der Analyten von der Matrix und von einander und anschließender Detektion mit Massenspektrometrie.

Unter Berücksichtigung neuer toxikologischer Erkenntnisse war es erforderlich, diese EQS Werte noch weiter zu senken. Da es bei so niedrigen Konzentrationen auf Grund von Blindwerten sehr schwierig ist, zuverlässig zu messen, einigte man sich 2014 darauf, die Konzentrationen der PBDE in Biota als Indikator für die Konzentration der PBDE im Wasser zu nehmen. Wie zuverlässig diese Relation ist und welche Biota sich dafür am besten eignen, wird gegenwärtig untersucht.

Quecksilberspezies in WasserQuecksilberspezies in Wasser

Quecksilber (Hg) stellt ein in der Umwelt ungewöhnlich mobiles Element dar. Die durch natürliche Prozesse freigesetzten Mengen führen zu einer ubiquitären Verteilung, wobei nur selten bedenkliche Konzentrationen erreicht werden. Durch anthropogene Freisetzungen können lokal jedoch sehr viel höherer Konzentrationen vorkommen, die auf Grund einer hohen Toxizität und verschiedener Umwandlungsprozesse in der Umwelt problematisch sein können.

Energiesparlampen mit QuecksilberIn Industrieländern findet Quecksilber vor allem in der Elektronik, in der Zahnmedizin sowie bei chemischen und pharmazeutischen Produkten Verwendung. Zudem wird Quecksilber bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe, in der Zementproduktion und bei der energetischen Verwertung von kommunalen Abfällen freigesetzt. Das Umweltprogramm der Vereinten Nationen (UNEP) schätzte für das Jahr 2010 die globalen Quecksilber-Emissionen aus antrophogenen Quellen auf 1960 Tonnen und rief 2013 die „Minamata Convention on Mercury“ mit dem Ziel ins Leben, die weltweiten Quecksilberemissionen zu verringern und vergleichbare Analyse- und Kontrollmechanismen zu etablieren.

Laut der Europäischen Wasserrahmenrichtlinie (2000/60/EC) werden Quecksilberverbindungen als Wassertropfen mit Quecksilberspezies: Hg2+, Methyl-Quecksilber, Ethyl-Quecksilberprioritär gefährliche Stoffe eingestuft (2013/39/EC). Die aktuell geltenden Umweltqualitätsstandards (EQS) von 0,07 µg/L in Oberflächengewässern und 20 µg/kg in Biota beziehen sich ausschließlich auf den Gesamtquecksilbergehalt. Für eine vollständige Risikobewertung bedarf es jedoch zusätzlicher Informationen zur Speziesverteilung und möglichen Umwandlungsprozessen. Daher sollen im Rahmen des European Metrology Research Programmes Opens external link in new windowENV51 bis 2017 empfindliche und vergleichbare Messmethoden für die Umweltkompartimente Luft, Oberflächengewässer und Biota entwickelt und validiert werden.

Für die Wasseranalytik kommt spezies-spezifische Isotopenverdünnung mit Gaschromatographie zur Trennung der Analyten und anschließender Detektion mit Massenspektrometrie zum Einsatz. Mithilfe Asymmetrischer-Fluss-Feld-Fluss-Fraktionierung (AF4) von Realwasserproben und anschließender quantitativer Analyse soll zudem untersucht werden, an welchen Partikel- oder Kolloidfraktionen sich Quecksilber hauptsächlich anlagert und inwieweit Probenahme- und Lagerungsbedingungen optimiert werden können.

natürlicher Wasserlauf
natürlicher Flusslauf

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