Es grünt so grün …

Presse, Umweltschutzverbände und -behörden berichten über Mikroplastik. Es birgt Gefahren für Menschen und Tiere und wird schon in ihren Ausscheidungen gefunden. Aber über die direkte Auswirkung der Mikropartikel im Körper steht die Forschung ganz am Anfang.

Da viele Publikationen immer wieder theoretische Modelle erarbeiten und mit „frisch-generiertem“ Mikroplastik arbeiten, ist hier die Idee, gebrauchtes Material zu recyceln, zu zerkleinern und dann zu Testzwecken einzusetzen.  Somit wird nicht neues und noch mehr Polymer in die Umwelt gebracht, sondern vorhandenes eingesetzt, wobei es hier um Mikromengen geht und nicht um Kilogramm oder Tonnen. Und man kann sich dann den wahren Eigenschaften der Mikropartikel annähern, mit denen sich die Organismen notgedrungen auseinandersetzen müssen.

Mikroplastik ist vor allem aufgrund der geringen Größe für die Umwelt gefährlich, da es dadurch eine Vielzahl von Organismen aufnehmen, beispielsweise weil sie es mit Futter verwechseln. 

Ein nächster Schritt in der Entwicklung von Innovationen in der Umweltforschung könnte fluoreszierendes Mikroplastik sein. Mit ihm ist es möglicherweise einfacher zu bestimmen, ob und wo sich diese Materialien in Organismen ansammeln. Dies ermöglicht dann auch eine bessere Risikobewertung. 

Laut einer Applikation sollte es möglich sein, fluoreszierendes Mikroplastik herzustellen anhand von dem lipophilen Farbstoff Nilrot. Aber hier stellt sich die Frage, warum herstellen, wenn es genügend Polymere mit Fluorophoren (Teil 1 + Teil 2) gibt (Abbildung 1)? Daher wurden technische Polymere und eine sehr auffällig grüngelblich leuchtende PET-Getränkeflasche (Abbildung 2) gemahlen, um Mikropartikel zu generieren. [1, 2]

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Abbildung 2: PET-Flaschenboden (koffeinhaltige Limonade) und die Fluoreszenz unter einer Xenon-Lichtquelle. Die Flasche wurde dazu in den Probenraum des RF-6000 montiert.

Das Unternehmen Carat aus Bocholt hat die Idee weiterentwickelt. Es ist spezialisiert auf die Analyse von thermoplastischen Kunststoffen. Für die vorliegende Anwendung hat Carat einen Weg gefunden, die Polymere zu zerkleinern, spezifizieren und zertifizieren zu können. Shimadzu hat mit dem RF-6000 Spektrofluorometer und einem Feststoffprobenhalter eine Lösung zugeliefert, die diese kleinen Partikel messen können. 

Mess-Herausforderung Mikroplastik

Mikroplastik führt zu besonderen Anforderungen bei der Analysentechnik. Die Fluoreszenz ist bekannt für ihre hohen Nachweisgrenzen in Flüssigkeiten. Kann diese Eigenschaft auch auf Partikelgröße übertragen werden? In den beiden vorherigen Ausgaben des Shimadzu-Kundenmagazins (siehe 1 sowie 2/2020) wurden Polymerstücke (2-3 cm) und Granulate (5 mm) untersucht.

Die Mikroskopie ist sinnvoll für Proben unter 100 µm, wie zum Beispiel bei der Identifikation der Partikel mit der Infrarot-Spektroskopie. Dieser dritte Teil der Artikelserie betrachtet die Identifikation oder schlicht Wiederfindung von Partikeln kleiner 500 µm mit der Fluoreszenzspektroskopie. Gängige Polymergranulate in der Größe von 5 mm weisen mehr oder weniger starke Fluoreszenz auf, die bei Polymeren mit π-Elektronen-Molekülstruktur (Doppelbindungen) entsteht oder durch Zuschlagstoffe, die fluoreszierend sind. Jetzt werden PC (Polycarbonat) und PET (Polyethylenterephthalat) näher untersucht. 

Um Mikropartikel zu simulieren, wurden Polymere mit der Kryo-Mühle (Methode nach Carat) auf unter 500 µm zerkleinert. Um die Fluoreszenz abzusichern, denn Homogenität von Additiven in Polymeren können auch eine Rolle spielen, wurden die Polymerpartikel (Teil 2) nach dem Mahlen gesiebt und in Fraktionen eingeteilt. Dies führte zu Partikeln mit der Kennung 3.000 (enthält bis 1.500 µm), 1.500 (enthält bis 500 µm) und 500 µm (und kleiner), wobei jede Siebfraktion eine Partikelverteilung enthält; siehe Abbildung 3. [3]

Probenvorbereitung und Analysen

Von jeder Fraktion wurden Partikel ins Zentrum eines Bariumsulfat-Betts (BaSO₄) gestreut, das als Fixierung dient, und mit der Quarzplatte festgedrückt (Abbildung 4). Diese Messungen zeigten lückenlos die Homogenität bis unter 500 µm und Präsenz von Fluoreszenz (Abbildung 5): Je nach Polymer und/oder Additiv ist die Fluoreszenzintensität mit den Mikropartikeln im Vergleich zu höheren Konzentrationen (größere Oberflächen und Schichtdicke der Polymere) abgeschwächter.

Für ein Experiment mit PET-Mikropartikeln würde sich die Mahlung der grellen Flasche eignen. Mit sehr kleiner Menge an Mikropartikeln kann die Fluoreszenz noch intensiv sein, sodass ein Standardfluoreszenzgerät fähig ist, die Anwesenheit des Partikels zu detektieren (Abbildung 6). Messparameter und Probenvorbereitung wurden nicht verändert, um sie vergleichen zu können.