Trace Element Speciation Laboratory

Es sind nur sehr wenige natürliche Organofluorverbindungen bekannt, aber es gibt Hunderte von Menschen gemachte Organofluorverbindungen. Neben der weithin bekannten Verwendung in Teflon und anderen Kunststoffen werden fluorierte Gruppen häufig in Medikamenten verwendet, um ihre physiologische Retention zu beeinflussen.

Diese vom Menschen hergestellten Verbindungen sind bioakkumulierend im Fettgewebe und können schädliche Auswirkungen haben. Über den Stoffwechsel fluorierter Verbindungen ist noch relativ wenig bekannt. Der Hauptgrund dafür ist die Schwierigkeit, unbekannte fluorierte Verbindungen zu identifizieren. Fluorierte Verbindungen sind durch organische Massenspektrometrie schwer von nicht fluorierten Verbindungen zu unterscheiden und normalerweise auch nicht durch Elementardetektoren nachweisbar.

Unser Team arbeitet an neuen Methoden zur Fluordetektion mit ICPMS als fluorspezifischem Detektor. Dabei bildet Fluor von polyatomische Ionen, was eine mögliche Methode für die Erkennung unbekannter Fluorverbindungen sein könnte. Wir verwenden auch CIC (Verbrennungsionenchromatographie) offline und online mit anderen chromatographischen Techniken für die nicht-gezielte Detektion fluorierter Verbindungen. Eine weitere angewandte Methode ist die molekulare Absorptionsspektrometrie (HR-GF-MAS), die Fluor als polyatomisches Molekül bestimmt. Diese Methoden bieten sich als Komplimentärmethoden zu HPLC-ICPMS / ESI-MS an. Zur Zeit konzentriert sich unsere Arbeit auf Methodenentwicklung und die Prüfung der Methodenrobustheit.

Das Ziel dieser Arbeiten ist zum einen fluorhaltige Verbindungen unbekannter Struktur, z.B. Abbauprodukte von Medikamenten und Pestizide, empfindlich, schnell und effizient zu quantifizieren. Zum anderen ist zu erwarten, dass neue fluorhaltige Metabolite oder Verbindungen mit Hilfe einer Kopplung von HPLC-ICPMS und ESI-MS schneller identifiziert werden können. Auch ist zu erwarten, dass sich mit diesen Methoden der Abbau von umweltrelevanten Fluorverbindungen detailiert verfolgen lässt.

Daneben arbeiten wir mittels HPLC-ESI-MS an der Bestimmung von bekannten fluorierten Verbindungen in Gewässern, Wildtieren (Wildschweine, Wale, Gämsen) als Frühwarnzeichen für die Exposition des Menschen mittels Fluormassenbilanz (TF, EOF, TOP-Assay, gezielte Analyse und nicht-zielgerichtete Analyse) mittels CIC, HR-GFMAS, ICPMS, LC-MS/MS, LC-HPLC-ICPMS/ESI-HRMS.

Arsen ist das Element, dessen Verteilung und Stoffwechsel wir am meisten erforschen. Es ist nicht nur ein bekanntes Karzinogen und giftig in seinen anorganischen Formen, sondern kommt auch in der Natur in einer Vielzahl von organischen Formen mit variablen Toxizität vor.

Wir arbeiten unter anderem an der Verteilung von anorganischem Arsen in verschiedenen Lebens- und Futtermitteln. Einer der Hauptbereiche, an denen wir gemeinsam mit anderen Forschungsgruppen arbeiten, ist die Bestimmung von anorganischem Arsen in Reis. Der Anteil an anorganischem Arsen in Reis hängt sehr stark von den Anbaubedingungen ab. Laborbasierte Experimente und Feldexperiment zeigen, dass Veränderungen des Bewässerungsregimes und Zuführung von Düngemitteln den Arsengehalt beeinflussen können. Erkenntnisse aus der Forschung unserer und anderer Gruppen waren ausschlaggebend für die Einführung der höchst zulässigen Mengen an anorganischem Arsen in Reiserzeugnissen in der EU in 2015. Informationen zu Arsen, seiner Verbreitung, den Spezies und der existierenden Regulationen können in unserer Veröffentlichung über analytischen Aspekte der  Arsenspeziation in der Lebens- und Futtermittelgesetzgebung gefunden werden.

In diesem Zusammenhang ist auch die Entwicklung einfacher und spezifischer Bestimmungsmethoden für anorganisches Arsen wichtig. Insobesondere für die Lebensmittelindustrie ist es wichtig, dass bereits vor Ort der Gehalt an anorganischem Arsen beispielsweise in Reis bestimmt werden kann.Wir haben speziell dafür eine Methode validiert die mit sehr einfachen Mitteln eine vor Ort Evaluierung der Ernte erlaubt und arbeiten an der Weiterentwicklung der dieser Methode.

Elemente sind nicht homogen in Gewebe verteilt und zeigen auch auf zellulärer Ebene unterschiedliche Verteilungsmuster. Das gleiche gilt auch für organische Moleküle, wie Proteine und Metabolite. Bio-Imaging beinhaltet die Bestimmung des elementaren oder molekularen Verteilungsmusters. Die Kombination von elementare und molekulare Verteilung mit histologischen Informationen ermöglicht eine Korrelation zwischen Pathologie, Proteinen und Metallkonzentrationen. Bio-Imaging mit Laserablation-ICPMS kann diese Inhomogenität der Elementverteilung aufzeigen und auch Hinweise auf Krankheitsmechanismen geben.

Das Imaging von pilzinfiziertem Gewebe machte z.B. sichtbar, dass sich die Eisen- und Kupferverteilung aufgrund einer Infektion ändert und zeigte auch an, dass der Wirt versucht, die Infektion durch Veränderungen im Kupferstoffwechsel zu bekämpfen. Im Gegensatz dazu war bei einer bakteriellen Infektion eine signifikante Zunahme von Kalzium im infizierten Bereich bei gleichzeitiger Abnahme aller anderen essentiellen Elemente zu beobachten.

Wir sind daran interessiert, natürlich vorkommende Nanopartikel (NNP) zu bestimmen.

Ein Forschungsweg ist die Entgiftung von Quecksilber durch Bildung einer Agglomeration mit Selen in Grindwallebern, Nieren und Gehirnen. Hier wurden FFFF-ICP-MS und sp-ICP-MS sowie XANES/EXAFS zur Charakterisierung dieser NNPs verwendet.

Wir verwenden AF4 auch mit nicht wässrigen Medien und ermittelten Quecksilbersulfiden in Gaskondensaten aus der Öl- und Gasindustrie.

Laufende Projekte umfassen die Bestimmung natürlicher Nanopartikel in biologischen Geweben wie zum Beispiel in den Organen von Wale und Raubvögeln. Diese Information kann der Schlüssel zur Identifizierung von Detoxifizierungsmechanismen von toxischen Elementen wie Quecksilber und Arsen sein, hierzu sollen neben der FFFF-ICP-MS, Laser-ablation ICP-MS und NanoSIMS eingesetzt werden. Darüber hinaus arbeiten wir an der Bestimmung von Nanoplastics in biologischen und Umweltproben, besonders fluorhaltigen Nanopartikel in Umwelt- und biologischen Proben durch Fluorkartierung mittels LA-ICPMS und Einzelpartikel-ICPMS (spICPMS).

Quecksilber in all seinen molekularen Formen ist giftig. Wir arbeiten an:

• Der Entwicklung von industriell einsetzbaren Methoden der Quecksilberspeziation in Zusammenarbeit mit PS-Analytics, London.
• Wir studieren den Stoffwechsel von Quecksilberverbindungen im marinen Ökosystem.
• Risikoabschätzung der Quecksilberverunreinigungen in Öl-und Gasraffinerien während des Betriebs und nach Stilllegung (Decommissioning).

Die Bestimmung von anorganischem Quecksilber und seinen beiden methylierten Formen ist in einer Vielzahl von Probentypen erforderlich. Die Standardmethode für die Quantifizierung ist ein kompliziertes und zeitaufwändiges Verfahren. Bei diesem wird Quecksilber in all seinen Formen derivatisiert und dann nach gaschromatographischer Trennung mit ICP-MS nachgewiesen. Wir haben eine HPLC-Kaltdampf-Atomfluoreszenzspektrometrie-Methode entwickelt, die keine Derivatisierung erfordert und in der Lage ist, die wichtigsten natürlichen Quecksilberverbindungen in einer Vielzahl von Probentypen zu detektieren. Diese Methode verwendet einen Online-Anreicherungsschritt, der Erkennungsgrenzen auf pg/L-Ebene (ppq) ermöglicht.