Chemische Analytik

Feststoffprobenvorbereitung

Die Probenvorbereitung von Sediment- und Schwebstoffproben ist ein zentraler Bestandteil der chemischen Analytik in den Laboren des Referats G2. Schwebstoff- oder Sedimentproben, die den Gewässern entnommen werden, können den meisten Analyseverfahren nicht ohne Probenvorbereitung zugeführt werden. Dazu gehört zum Beispiel das

Gefriertrocknen der Proben
Herstellen homogener und damit repräsentativer Teilproben
Mahlen der Gesamtproben zur Herstellung homogener Einzelproben
Abtrennen einzelner Kornfraktionen, um z. B. die Schwermetallbelastung oder den Gehalt an organischen Schadstoffen der einzelnen Fraktionen zu bestimmen.

Für die Korngrößenanalysen hat die BfG ein eigenes Verfahren entwickelt, das mittels Ultraschallsiebung Korngrößen von <20 µm bis 2000 µm gewinnt und gravimetrisch quantifiziert. Darüber hinaus stehen automatisierte Systeme zur Verfügung, die Korngrößenverteilungen gravimetrisch mittels Sedimentationsverfahren oder volumetrisch mittels Laserbeugung analysieren können.

Die Probenvorbereitung organisiert die Zustellung der Proben zu den speziellen Analyseverfahren der verschiedenen Arbeitsbereiche. Folgende Gerätschaften werden zur Vorbereitung von Sediment- und Schwebstoffproben sowie zu deren Korngrößenanalyse eingesetzt:

Christ Gefriertrocknungsanlagen Gamma 1-16 LSC und Alpha 2-4
Rotations-Kegelprobenteiler und Fritsch Laborette 27 mit Vibrations-Zuteilrinne Laborette 24
Planetenkugelmühle Fritsch Pulverisette 5/4 classic line
Siebturm Retsch AS 200
Horiba Partica LA-960V2 inkl. Slurry Sampler
Pipettierroboter (Skalar Analytical B.V.)

Allgemeine und Anorganische Analytik

Der Arbeitsbereich „Allgemeine und anorganische Analytik“ beschäftigt sich mit der Analyse wichtiger Nährstoffe und deren Indikatoren in Bundeswasserstraßen und den Küstenbereichen von Nord- und Ostsee. Hier sind Proben aus Sedimenten, Schwebstoffen und Oberflächengewässern zu untersuchen – vor allem bei Routineüberwachungen und Qualitätssicherungsmaßnahmen. Der Arbeitsbereich unterstützt aber auch Forschungsvorhaben, indem er beispielsweise Summenparameter in wässrigen Proben bestimmt. Beispiele hierfür sind der gesamte organische Kohlenstoff (TOC), der die Belastung des Wassers mit organischen Stoffen widerspiegelt oder der gebundene Stickstoff (TNb), ein Indiz für die Nährstoffsituation eines Gewässers. Methoden in der allgemeinen und anorganischen Chemie von wässrigen Proben und Eluaten:

Ionenchromatographie (IC) zur Bestimmung von Anionen wie Chlorid, Fluorid, Nitrat und Sulfat
Photometrische Bestimmung der Nährstoffparameter Nitrit, Ammonium, o-Phosphat, Gesamt-Phosphat und Silikat
TOC/TNb Analyse

Zur Analyse der Summenparameter in Sedimenten stehen in der allgemeinen und anorganischen Analytik folgende Methoden zur Verfügung:

Elementanalysator mit Wärmeleitfähigkeitsdetektor für die Bestimmung von Kohlenstoff (Gesamtkohlenstoff, inorganischer Kohlenstoff), Stickstoff und Schwefel
Feststoff TOC-Analysator zur Bestimmung des gesamten organischen Kohlenstoffs in Sedimenten

Zur Bewerkstelligung dieser Aufgaben werden folgende Geräte verwendet:

Dimatec Dima-TOC 2000 zur Bestimmung vom DOC, TOC und TNb in flüssigen Matrices
Elementar Vario Macro Cube zur Bestimmung von C, N und S in silikatischen Matrices
Elementar Vario CS Cube zur Bestimmung von TOC in silikatischen Matrices
Metrohm 940 Professional IC Vario zur Bestimmung von Anionen in wässrigen Matrices

Organische Spurenanalytik

Der Arbeitsbereich "Organische Spurenanalytik" beschäftigt sich mit der Analyse organische Schadstoffe in Bundeswasserstraßen und den Küstenbereichen von Nord- und Ostsee. Neben Wasserproben werden sowohl Sedimente und Schwebstoffe als auch Biotaproben (Fische, Muscheln) analysiert. Die Aufgaben umfassen die Messung von Umweltproben bekannter und neuer Standorte, Qualitätssicherungsmaßnahmen zur Analytik von Vertragspartnern, aber auch die Forschung in den Bereichen Umweltchemie und -analytik. Für eine ganze Reihe organischer Umweltschadstoffe entwickelt das Referat neue analytische Methoden, wendet diese im Rahmen seiner Messprogramme an und berät die Ministerien und die WSV. Die Palette der Messparameter orientiert sich dabei am aktuellen Stand der Forschung. Mit einer modernen und leistungsfähigen instrumentellen Ausstattung wie z. B. GC-MS/MS, LC-MS/MS, LC-HRMS und SFC-MS/MS ist es möglich, eine große Bandbreite verschiedener Schadstoffklassen zu erfassen. Das stetig wachsende Analytspektrum umfasst unter anderem Biozide, Pflanzenschutzmittel, Arzneimittelwirkstoffe, Flammschutzmittel, Industriechemikalien, Organozinnverbindungen, polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe, zahlreiche chlororganische Verbindungen und Algentoxine. Das Referat untersucht außerdem das Umweltverhalten (Sorption und Abbau) von Spurenstoffen und identifiziert die bei deren Abbau gebildeten Transformationsprodukte.

Source: BfG Labortechnik zur Organischen Spurenanalytik

Neben der klassischen Target-Analytik kommen vermehrt Verfahren des Non-Target-Screenings zum Einsatz. Die hochauflösende Massenspektrometrie ermöglicht hierbei die simultane Erfassung eines breiten Substanzspektrums, wozu auch bisher unbekannte Spurenstoffe und Transformationsprodukte gehören. Eine Spektrendatenbank dient der schnellen Identifizierung von Substanzen, während ein digitales Probenarchiv deren nachträgliche Identifizierung und das Erkennen von Konzentrationstrends ermöglicht. Diese beiden digitalen Werkzeuge werden laufend weiterentwickelt. Die Ausstattung der organischen Spurenanalytik besteht unter anderem aus unterschiedlichen Extraktionssystemen wie der druck- und temperaturgesteuerten Lösemittelextraktion (ASE) für feste Matrices, der Extraktion mit überkritischem CO₂, Festphasenextraktion (SPE) für Wasserproben, Systemen zum Reinigen und Einengen von Probenextrakten sowie unterschiedlichen chromatographischen Trennsystemen (LC, GC, SFC) gekoppelt an massenspektrometrische Detektionssysteme (Tandem-MS, HR-MS).

Unter anderem werden folgenden Geräte eingesetzt:

LC-HRMS Systeme: Sciex TT6600, TT5600, X500R, Thermo Orbitrap HF
LC-MS/MS Systeme: Sciex 7500 Qtrap, 6500 Qtrap, 6500 Qtrap mit DMS
GC-MS/MS: Agilent 7010
Shimadzu Nexera SFC, Agilent Infinity II SFC
Extraktionssysteme: Thermo ASE 350, Shimadzu SFE

Metall(oid)analytik

Die Mitarbeiter des Arbeitsbereichs Metall(oid)analytik untersuchen Metalle und Metalloide in den Bundeswasserstraßen und Küstengewässern von Nord- und Ostsee. Untersucht werden Proben von Wasser, Schwebstoffen, Sedimenten und Böden – aber auch Eluate, Schlacken und Biota. Mit modernen Analysengeräten bestimmen sie routinemäßig Hauptelemente (z. B. Natrium, Magnesium, Kalium, Calcium) sowie aus anthropogenen und natürlichen Quellen stammende Spurenelemente (z.B. Arsen, Chrom, Cadmium, Kupfer, Nickel, Blei, Quecksilber, Zink).

Das Fachwissen und die Messergebnisse fließen in zahlreiche Forschungs- und Untersuchungsprogramme ein, wie z. B. in

Untersuchungen über das Verhalten von Schwermetallen in der aquatischen Umwelt
Verfügbarkeits- und Risikobewertung der Mobilität und Bindungsformen von Schwermetallen in Sedimenten
Beratung der WSV zur Umweltrisikoeinschätzung bei Baggermaßnahmen in Binnen- und Küstengewässern
Schwermetallanalysen für Flussgebiets- und Küstenmessprogramme
Untersuchungen zum Remobilisierungspotenzial von Schwermetallen aus industriellen Wasserbausteinen

Source: BfG Labortechnik zur Schwermetallanalytik

Während die in Wasserproben gelösten Metall(oid)e nach einer Filtration direkt mittels ICP-OES, ICP-MS oder CV-AAS quantifiziert werden können, müssen Feststoffproben zur Durchführung einer Analyse zuerst mit Hilfe einer Säure extrahiert werden. Hierzu werden mikrowelleninduzierte Druckaufschlusssysteme verwendet. Die verwendeten Säuren (HCl, HNO₃) werden zuvor in speziellen Destillationssystemen aufbereitet. Zur Analyse von Metall(oid)konzentrationen stehen folgende Gerätschaften zur Verfügung:

Reinstwasseranlage Arium Pro VE, Sartorius Stedim
Säureaufbereitung DST-1000 Destillation System, Savillex
Säureaufbereitung DST-4000 Destillation System, Savillex
Mikrowelleninduziertes Druckaufschlusssystem, Multiwave PRO, Anton Paar
Mikrowelleninduziertes Druckaufschlusssystem, turbo Wave, MLS-MWS
ICP-QQQ-MS, 8800, Agilent
ICP-OES, 8300, Perkin Elmer
Energiedispersive RFA, Ametek, Spectro Xepos He
Cold-Vapour-Atomfluoreszenzspektrometer Merlin, PS Analytical
Cold-Vapour-Atomfluoreszenzspektrometer Mercur, Analytik Jena
Hg-Feststoffanalysator, NIC MA-3000, Nippon Instruments
Methylquecksilber-Analysator, 2700, Tekran inkl. Destillationseinheit Tekran 2750

Mikroplastikanalytik

Mikroplastik – also Plastikpartikel, die kleiner als 5 mm sind – stehen derzeit verstärkt in der öffentlichen Wahrnehmung, denn sie sind überall in Binnen- und Küstengewässern nachweisbar. Es gibt aber noch keine standardisierten Methoden, um sie in Umweltproben auch mengenmäßig nachzuweisen. Kunststoffe haben sehr hohe Molekulargewichte und eine schlechte Löslichkeit, so dass sich Verfahren wie LC-MS und GC-MS für die Bestimmung von Mikroplastik nicht einsetzen lassen. Die BfG entwickelt deswegen sowohl spektroskopische Methoden als auch thermoanalytische Verfahren. Nach einer Lösemittelextraktion erfolgt die Bestimmung der Polymere mittels Pyrolyse-GC-MS (PE, PP und PS) bzw. Verbrennungs- Ionenchromatographie (PVC) über spezifische Zersetzungsprodukte. Die eingesetzte Methode ist schnell und kommt ohne zeitaufwändige Probenvorbereitung aus. Somit ist sie tauglich für den Routineeinsatz in der Gewässerüberwachung. Zukünftig sollen mit Hilfe dieser Methode die Verteilung und Frachten von Mikroplastik in Gewässern ermittelt werden.

Für den Nachweis von Mikroplastik in Umweltproben stehen zwei Pyrolyse-GC/MS-Systeme, ein Verbrennungsofen gekoppelt an einen-Ionenchromatographen, ein Infrarotspektrometer und ein Laser Direct Infrared (LDIR) Imaging System zur Verfügung. Somit ist sowohl eine thermoanalytische Bestimmung der Polymermassen als auch eine Identifizierung und zahlenmäßige Erfassung von Kunststoffpartikeln möglich.