Wissenschaft + Forschung

Mehr Ausbeute: saubere Nanopartikel | Nanopartikel dienen beispielsweise als Katalysatoren und werden bisher überwiegend nasschemisch hergestellt. Per Laserablation entstehen nun bis zu 1 Gramm hochreine Nanopartikel pro Stunde in gewünschter Größe. Dazu muss das Plättchen in Lösung vorliegen und der Fokuspunkt des Lasers etwas oberhalb dieses Plättchens platziert werden. Die Lasermethode ist damit kostengünstiger als die nasschemische Herstellung.Tests des Unternehmens Umicore zufolge sind die per Laser erzeugten Partikel katalytisch aktiver als die klassisch hergestellten.<ul class="references"><li>
1 Nanomaterials 2020, 10(8), 1582</li></ul>
Kristallbildung geklärt | Ein Kristall entsteht, indem zunächst wenige Atome eine amorphe Phase bilden. Erst ab 10 bis 20 Atomen ordnen sie sich regelmäßig an. Dies klärte nun für Eisen, Gold und Rhenium ein internationales Forschungsteam mit Elektronenmikroskopie. Damit ist das andere Modell, das sich in der Standardliteratur findet – Atome setzen sich ähnlich Legosteinen nach und nach zu einem Kristallgitter zusammen –, zumindest für diese drei Elemente widerlegt.<ul class="references"><li>
2 Nat. Chem. 2020, doi: <ext-link ext-link-type="doi">10.1038/s41557-020-0538-9</ext-link></li></ul>
Molke und Kohle filtern Radioaktives | Eine Filtermembran aus Molkenproteinen und Aktivkohle filtert nicht nur Schwermetalle, Uran und Gold aus Wasser, sondern auch Technetium-99m, Iod-123 und -131, Gallium-68 sowie Lutetium-177. Damit eignet sich die Membran dazu, Krankenhausabwässer oder radioaktiv belastete Gewässer zu reinigen, bevor sie in die Kanalisation gelangen oder im Meer verklappt werden.<ul class="references"><li>
3 Environ. Sci. Water Res. Technol. 2020, doi: <ext-link ext-link-type="doi">10.1039/d0ew00693a</ext-link></li></ul>
Eliza Leusmann

Meldung

Nanopartikel, Kristalle und Filter

Mehr Ausbeute: saubere Nanopartikel | Nanopartikel dienen beispielsweise als Katalysatoren und werden bisher überwiegend nasschemisch hergestellt. Per Laserablation entstehen nun bis zu 1 Gramm hochreine Nanopartikel pro Stunde in gewünschter Größe. Dazu muss das Plättchen in Lösung vorliegen und...

Umwelt- und Lebensmittelanalytik nutzen verstärkt massenspektrometrische Techniken aus den Lebenswissenschaften. Und mit Techniken aus Geologie und Werkstoffwissenschaften lassen sich auch medizinische Proben untersuchen – ein Überblick über die Entwicklungen in der Massenspektrometrie.
Molekülmassenspektrometrie entwickelt sich weg von klassischer Target- hin zu Nontarget-Analytik. Elementmassenspektrometrie liefert hohe Ortsauflösung beim Element-Imaging und analysiert einzelne Zellen. Aufgrund der Fortschritte bei den Geräten für Time-of-Flight-Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-ToF-MS) lässt sich das gesamte Periodensystem der Elemente in kurzen transienten Signalen quasi-simultan massenspektrometrisch erfassen.<h2>Von Target zu Nontarget</h2>Den Nontarget-Ansatz in der Massenspektrometrie nutzen die Lebenswissenschaften unter dem Begriff Metabolomics schon länger, zum Beispiel um Biomarker für Krankheiten zu identifizieren.1) Nontarget-Ansätze dienen in der Analytik komplexer Umwelt- und Lebensmittelproben dazu, unerwartete Schadstoffe aufzuspüren oder Inhaltsstoffe erstmals systematisch zu erfassen.2)Nontarget-Analysen können einige hundert oder auch tausende Messsignale umfassen, die chemischen Verbindungen oder Teilen davon entsprechen und idealerweise vollständig identifiziert und zumindest relativ quantifiziert werden können. Dies stellt technisch hohe Ansprüche an die Geräte, die im Wesentlichen nur die gekoppelten hochauflösenden MS (GC/LC-HRMS) erfüllen. Die zentralen Anforderungen an das Massenspektrometer sind dabei: Massenauflösung M/ΔM über 50 000, Scanraten größer als 20 Hz und ein großer linearer Bereich (Dynamikumfang größer als 400 M). Die Leistungen der Orbitrap- und Flugzeit-(ToF)-Analysatoren sind gestiegen und erfüllen die Anforderungen inzwischen. Das Orbitrap-Fusion-Lumos-System (Thermofisher) etwa, ein Hybrid-Gerät aus Quadrupol-Ionenfalle und Orbitrap, hat eine Auflösung von M/ΔM = 1 000 000. Dies erreichten bislang nur wesentlich aufwendigere Fourier-Transform-Ionencyclotronresonanz-Geräte (FT-ICR). Eine so hohe Auflösung bedeutet zuverlässige Signalidentifizierung in der Routine, da sich auch die Isotopenfeinstruktur auswerten lässt.<h2>Kombination mit Ionenmobilitätsspektrometrie und GC</h2>Enantiomerengemische, etwa aus Naturstoffen, sind auch mit der höchsten Massenauflösung nicht unterscheidbar. Hier eignet sich die Ionenmobilitätsspektrometrie (IMS) als Trenntechnik. Dieses erst kürzlich wiederentdeckte Verfahren verhält sich oft orthogonal zu Chromatographie und MS.3) Ein Beispiel ist die Verwendung chiraler Modifier wie (S)-(+)-2-butanol zur Trennung von Razematen, darunter Pharmazeutika, Zucker, Aminosäuren.4)IMS zieht Ionen mit einem elektrischen Feld durch eine gasgefüllte Röhre. Auch kleinste Unterschiede im Ionenquerschnitt führen dabei zu unterschiedlicher Driftzeit – und damit zu trennbaren Signalen im MS. Systeme wie das timsTOF Pro (Bruker) synchronisieren IMS-Auftrennung mit MS/MS-Scanraten über 100 Hz, um saubere Spektren aller Komponenten zu liefern.Die Neuerungen verbessern prinzipiell sowohl LC- als auch GC-gekoppelte HRMS-Methoden im Nontarget-Screening (NTS). Lange gab es für die GC jedoch kein Äquivalent zur sanften Elektrospray-Ionisation (ESI), sodass sich das Potenzial von HRMS für die Strukturaufklärung – Isolierung intakter Präkursor-Ionen, gefolgt von CID-Fragmentierung – nicht ausschöpfen ließ. Dies hat sich mit der kommerziellen Verfügbarkeit atmosphärischer Ionenquellen für GC geändert. Durch GC-APCI II (Bruker), AP-GC (Waters) und ähnliche Kopplungen können GC-gängige Analyten nun ähnlich umfassend charakterisiert werden wie LC-ESI-gängige Verbindungen.5)<h2>Signalverarbeitung</h2>Die Entwicklungen bei den Geräten erfordern neue Ansätze in Methodik und Datenverarbeitung. Die Zahl der Analyten ist im Nontarget-Ansatz nur durch die Art der Aufarbeitung und Ionisierbarkeit begrenzt. Voraussetzung für eine zuverlässige Identifizierung von emerging contaminants – also neue Schadstoffe etwa in Wasser oder Lebensmitteln, für die es keine Grenzwerte gibt – sind allerdings entsprechende Workflows und eine möglichst automatisierte Signalverarbeitung. Nur so sind die interessanten Analyten zu entdecken und im Idealfall in bestehende Assays einzubinden.Erfolgreiches NTS erfordert nicht nur ein Verständnis von Statistik, sondern auch der einzelnen Schritte wie Peak-Detektion, Noise-Removal, Sample-Alignment, Dekonvolution und Annotation (Spektrenbewertung), welche die Qualität der Ergebnisse stark beeinflussen. Vor allem die Automatisierung der Annotation unbekannter Massenspektren (Abbildung 1) ist essenziell für Erfolg und Akzeptanz von NTS.<figure><img src="https://media.graphcms.com/iCIiB9QVQ8eza3JXumHn"><figcaption><label>Abb. 1: </label>Hochauflösende Massenspektrometer erzeugen in komplexen Proben große Mengen an Rohdaten (über 1012 Messpunkte je Sample), die nach Datenverarbeitung mehrere tausend Spektren ergeben. Durch Datenbankabgleiche oder De-novo-Vorhersage lassen sich einem Teil dieser Spektren gesicherte oder vermutete Strukturen zuordnen.</figcaption></figure>
An einheitlichen und standardisierten NTS-Protokollen arbeiten derzeit mehrere Forschungsgruppen.6) Ein Konsens existiert (noch) nicht, da parallel dazu etablierte Algorithmen kontinuierlich verbessert werden – zunehmend mit Methoden des maschinellen Lernens. Analytische Chemiker:innen werden also mehr und mehr zu Data Scientists.7)<h2>Elementimaging mit LA/ICP-MS</h2>Laserablation (LA) in Kombination mit induktiv gekoppelter Plasma-Massenspektrometrie (ICP-MS) ermöglicht die direkte Multielement- und Isotopenanalyse von Feststoffen. Dabei tragen energiereiche Laserpulse die Probe ab, und das erzeugte Aerosol wird mit ICP-MS analysiert. Mit Kalibrierproben, zum Beispiel zertifizierten Referenzmaterialien, sind quantitative Messungen möglich.Die LA/ICP-MS ist in der Geologie etabliert, wird inzwischen aber auch für die Werkstoffanalytik und in den Lebenswissenschaften eingesetzt. Verbesserungen bei den LA-Systemen haben zu einer Ortsauflösung von unter 1 μm und Aerosol-Auswaschzeiten der Probenkammern von wenigen Millisekunden und dadurch besserer Empfindlichkeit beigetragen.8)Durch die Kopplung an ein ICP ICP-ToF-MS gelingt es, quasi-simultan das gesamte Massenspektrum zu erfassen, selbst bei transienten Signalen von unter einer bis wenigen Millisekunden. Korrelationen zwischen Elementen sind so für jeden einzelnen Laserspot erkennbar.Mit LA/ICP-MS lassen sich Elementverteilungen von biomedizinischen Proben ortsaufgelöst bestimmen (Imaging). Die Multielementfähigkeit ermöglicht dabei, auf zellulärer Ebene und darunter endogene Elemente, applizierte Substanzen, etwa metallhaltige Pharmazeutika oder Nanopartikel, sowie elementmarkierte Biomoleküle ortsaufgelöst zu detektieren. Die meisten Anwendungen gibt es in der Grundlagenforschung, einige auch bei medizinisch-diagnostischen Analysen in klinischen Laboratorien.LA/ICP-MS zeigt für einige Krankheiten, zum Beispiel neurodegenerative und Stoffwechselerkrankungen, dass sich die Verteilung und die Gehalte von Metallen im erkrankten und gesunden Gewebe unterscheiden. Die erhaltenen Elementverteilungsbilder tragen dazu bei, Entstehung und Verlauf solcher Erkrankungen besser zu verstehen und Therapien zu entwickeln.<h2>Nanopartikel im Organismus beobachten</h2>Die Gesundheitsforschung entwickelt theranostische Systeme, das sind solche, in denen beispielsweise Nanotransporter gleichzeitig Wirkstoffe transportieren und mit bildgebenden Verfahren sichtbar gemacht werden.Im Organismus läuft die Nano-Bio-Wechselwirkung auf Zellebene ab. Zellkulturen dienen deshalb oft als Modellsysteme, um Anwendungen und Risiken zu untersuchen. Die Multielementanalyse mit LA/ICP-ToF-MS zeigt metallische Nanopartikel und Elemente bis auf Einzelzellniveau (Abbildung 2, S. 65).9)<figure><img src="https://media.graphcms.com/t7S2XilMT1Sn77QAeYuv"><figcaption><label>Abb. 2: </label>Mikroskopbild eines Zellsphäroids und mit Laserablations-ICP-MS gemessene Verteilungen von Silbernanopartikeln, Phosphor und Zink.</figcaption></figure>
Bei bestimmten Ablationsbedingungen lässt sich die LA/ICP-MS auch in einem Einzelpartikelmodus betreiben, um zusätzlich die Partikelgrößenverteilung zu ermitteln.10) Das Verfahren liefert so Einblicke in das Verhalten von Nanopartikeln im Organismus einschließlich der Freisetzung ionischer Spezies.Elementlabel an Antikörpern dienen dazu, Biomarker und Gewebestrukturen spezifisch und indirekt zu detektieren. Diese Label bestehen oft aus funktionalisierten Nanopartikeln, Chelatkomplexen mit dem zu detektierenden Metall (meist Lanthanoide) oder Polymeren mit mehreren Chelatoren, die kovalent an den Antikörper binden.Die Kombination von Immunhistochemie und Bildgebung mit Laserablation und Massenzytometrie (ICP-ToF-MS) wird auch als Imaging Mass Cytometry (IMC) bezeichnet. Mit element- und isotopenmarkierten Antikörpern lassen sich bis zu 40 Biomarker in einem Arbeitsschritt nachweisen (Multiplexverfahren). Dabei bleiben Informationen aus der Zellmorphologie und der Gewebearchitektur erhalten. In der Tumorforschung werden so Expression und Verteilung von Proteinmarkern und deren Interaktion in Zellen untersucht.Aktuell arbeiten Gruppen daran, die molekularen Veränderungen in der Lunge und anderen Organen infolge einer Covid-19-Erkrankung besser zu verstehen, die zu schweren Krankheitsverläufen führen.11)Um Biomarker zu quantifizieren, sind noch eine Reihe von Voraussetzungen zu erfüllen.12) Unter anderem müssen der Markierungsgrad des Antikörpers und das Verhältnis von Antikörper zu Antigen bekannt sein. Multielementimaging erfordert die Analyse und Interpretation großer Datenmengen mit multivariaten Verfahren und künstlicher Intelligenz.Messung einer Serie aufeinanderfolgender Gewebeschnitte mit LA/ICP-MS und anschließende Volumenrekonstruktion erzeugen ein dreidimensionales Bild der Probe. So wurde die quantitative Elementverteilung in einem Mäuseembryo abgebildet.13) Bisher wurden nur wenige Beispiele für 3-D-Imaging publiziert, die jedoch Potenzial zeigen. So beobachteten Catena und Kollegen die Invasion von Tumorzellen ins umgebende gesunde Gewebe.14)<h2>Einzelzellenanalytik mit ICP-ToF-MS</h2>Neben Element-Imaging ist die Multi-Elementanalyse von Einzelzellen mit ICP-ToF-MS, also single cell-ICP-ToF-MS oder sc-ICP-ToF-MS, ein aktuelles Thema. Das Verfahren zeigt die Elementzusammensetzung einzelner Zellen; die Variation dieser Zusammensetzung lässt sich mit multivariaten statistischen Verfahren untersuchen.Von der Au und Team kombinieren die sc-ICP-ToF-MS mit einem Online-Reinigungssystem, um die Akkumulation von Metallen in Diatomeen zu untersuchen. Kombiniert mit multivariater Statistik könnte dies zu einem Werkzeug für die ökotoxikologische Untersuchung von Schadstoffen werden und andere Methoden ergänzen.15)Die sc-ICP-MS wird vermehrt in den Lebenswissenschaften eingesetzt. So können Zell-zu-Zell-Variationen der Elementzusammensetzung auf Krankheiten hinweisen16) und Informationen zur Entwicklung von Medikamenten liefern. Cao und Team analysieren mit sc-ICP-MS Kupfer in humanen roten Blutkörperchen – ihr Ansatz könnte zukünftig der Diagnose dienen.17)Corte Rodríguez und Mitarbeiter untersuchen, wie verschiedene Zelllinien ein Pt-basiertes Cytostatikum aufnehmen – sc-ICP-MS liefert hier Informationen über Resistenzen und fördert somit beispielsweise besseres Medikamentendesign.18)<h2>Quantitative Analyse</h2>Eine schwierige Aufgabe ist die Quantifizierung von Elementgehalten in einzelnen Zellen. Zerstäuber-basierte Eintragssysteme verfügen über Aerosol-Transporteffizienzen (TE) von unter 100 Prozent – werden wässrige Elementstandards zur Quantifizierung genutzt, muss die TE genau ermittelt werden. Ein vielversprechender Ansatz, der bereits für die quantitative Single-particle-ICP-MS von Nanopartikelsuspensionen genutzt wird, ist die Kopplung von Microdroplet-Generatoren (MDG, Abbildung 3) mit ICP-ToF-MS. Hierbei werden Nanopartikel oder Zellen in einzelnen Tröpfchen eingeschlossen; die Ermittlung der TE entfällt, und damit eine Fehlerquelle. Das Verfahren liefert matrixunabhängige, quantitative Informationen.19)<figure><img src="https://media.graphcms.com/8xDBES7TMupv6FWaMIdU"><figcaption><label>Abb. 3: </label>Die Abbildungen zeigen die Spitze des Microdroplet-Generator-Head – an dieser Stelle tritt die Probenlösung aus und bildet Tropfen mit pL-Volumina. Wie die Tröpfchen fallen, ist dabei mit einer speziellen Optik und einem Strobolight zu beobachten (A – C). Eine spezielle Bilderkennungssoftware erkennt die Tröpfchen und bestimmt über den Durchmesser das Volumen.</figcaption></figure>
In der Einzelpartikelanalytik kommen MDG gekoppelt mit ICP-ToF-MS zum Einsatz. Mehrabi und Team haben die Matrixunabhängigkeit der MDG/ICP-ToF-MS bei der Quantifizierung von Nanopartikelsuspensionen gezeigt. Hier kamen Silber-, Platin- und Goldnanopartikel in verschiedene Matrizes dotiert zum Einsatz, (etwa in Wasser aus einem Kläranlagenabfluss).20) Mit MDG/ICP-ToF-MS werden bei sc-ICP-ToF-MS zudem die Zellen schonend in das ICP-MS eingetragen, die Zellen werden also nicht beschädigt und der Zellinhalt wird komplett ins ICP-MS eingetragen, somit bleibt die Elementzusammensetzungen während der Analyse konserviert.<h2>INFO: 150 Jahre Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung</h2>Im Jahr 1871 begannen in Berlin Festigkeitsversuche für Eisen und Stahl, angeordnet durch das preußische Ministerium für Gewerbe und Handel – es war die Geburtsstunde der heutigen Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM). Unter Adolf Martens, einem Pionier der Materialforschung in Deutschland, wird die „Mechanisch-Technische Versuchsanstalt“ im Jahr 1904 zum königlich-preußischen Materialprüfungsamt mit Abteilungen für Metalle, Papier, Öle, Baumaterialien sowie einem chemischen Laboratorium.Noch heute ist die BAM für die Sicherheit in Technik und Chemie zuständig. Sie entwickelt etwa Referenzmaterialien und -verfahren für die analytische Chemie und forscht zu Wasserstoff, Lithiumbatterien und additiver Fertigung. Mehr als 1600 Menschen aus rund 50 Nationen arbeiten an der BAM, die als Ressortforschungseinrichtung zum Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gehört.Zum Jubiläum der BAM richten analytische Chemiker:innen aus Abteilung 1 – Analytische Chemie und Referenzmaterialien – einen Blick auf aktuelle Trends. An dieser Stelle geht es um Massenspektrometrie. In den nächsten Ausgaben folgen Übersichten über optische Spektroskopie, chemische Sensorik und Referenzmaterialien.<a href="https://www.150.bam.de" target="_blank">www.150.bam.de</a><figure><img src="https://media.graphcms.com/7ELZvvCRYiiOUurSDCLw"><figcaption><label>Abb. 4: </label>Links: Wie alles begann – königlich preußisches Materialprüfungsamt in Lichterfelde (um 1904), noch heute ist hier der Hauptsitz der BAM. Rechts: Zweigstelle Adlershof (heute), hier befinden sich die Labore der Abteilung Analytik. <named-content>Foto: BAM</named-content></figcaption></figure>
<h2>Die Autor:innen</h2>In diesem Beitrag berichten Jan Lisec und Carsten Jaeger über Nontarget-Ansätze, Jessica Saatz und Heike Traub über Elementimaging mit Laserablations-ICP-MS sowie Björn Meermann und Marcus von der Au über Einzelzellenanalytik mit ICP-ToF-MS. Lisec und Jaeger verantworten das organische MS-Zentrum@BAM. Saatz erforscht an der BAM LA/ICP-MS und Bioimaging, und Traub kooperiert beim Bioimaging medizinischer Proben mit der Charité Universitätsmedizin Berlin. Meermann leitet den BAM-Fachbereich Anorganische Spurenanalytik, wo von der Au an seiner Promotion über Einzelzellenanalytik arbeitet.
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16 M. Corte-Rodríguez, R. Álvarez-Fernández, P. García-Cancela et al., Trends Anal. Chem. 2020, 132, 116042</li><li>
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18 M. Corte-Rodríguez, R. Álvarez-Fernández García, E. Blanco, J. Bettmer, M. Montes-Bayón Anal. Chem. 2017, 89, 11491</li><li>
19 L. Hendriks, B. Ramkorun-Schmidt, A. Gundlach-Graham, et al., J. Anal. At. Spectrom. 2019, 34, 716</li><li>
20 K. Mehrabi, D. Günther, A. Gundlach-Graham, Environ. Sci.: Nano 2019, 6, 3349</li></ul>

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