28.08.2025
SingleParticle-ICP/MS als Prüfverfahren zur Detektion von Nanopartikeln in der Trinkwasseraufbereitung
Janek Jungkeit , INDIKATOR GmbH
Holger Gugg , Holger Gugg Concept GmbH
Thomas Schwabe , WERTACH Quelle GmbH
Nanopartikel bzw. Nanoplastik können auf verschiedenen Wegen ins Trinkwasser gelangen, sowohl auf natürlichem als auch auf anthropogenem Weg (durch den Menschen verursacht). Dazu gehören der Eintrag über Oberflächengewässer und Grundwasser, sowie die Freisetzung aus Produkten des täglichen Bedarfs und industriellen Prozessen.
Anthropogene Quellen für Nanopartikel und Nanoplastik sind vor allem industrielle Prozesse (z.B. Herstellung von TiO, SiO oder Silber-Nanopartikeln), Verbrennungsprozesse in Verkehr und Industrie (Ruß, Metalloxide) sowie Abrieb und Zersetzung von Kunststoffen aus Reifen, Textilien oder Verpackungen. Auch Alltagsprodukte wie Sonnencremes, Zahnpasten oder beschichtete Textilien tragen zur Freisetzung bei [1].
Nanopartikel sind Partikel mit einer Größe im Nanometerbereich (typischerweise etwa 1-100 nm) und ohne Beschränkung hinsichtlich ihrer chemischen Zusammensetzung. Nanoplastik hingegen bezeichnet ausschließlich Kunststoffpartikel im Nanomaßstab und stellt damit begrifflich eine spezielle Untergruppe der Nanopartikel dar.
Mikro und Nanoplastik (MNP) sind Sammelbezeichnungen für winzige Kunststoffteilchen, die beim Zerfall von Verpackungen, Textilien, Reifenabrieb und Industrieprodukten entstehen. Das Umweltbundesamt [2] klassifiziert Mikroplastik als feste Kunststoffpartikel mit einer Größe zwischen 1 µm und 5 mm. Nanoplastik bezeichnet noch kleinere Fragmente (1 nm bis 1 µm) [3]. Die Partikel sind heterogen; sie bestehen aus unterschiedlichen Polymeren wie Polyethylen (PE), Polyethylenterephthalat (PET) und Polystyrol (PS), variieren in Form, Oberflächenchemie und tragen Additive oder Umweltschadstoffe [4]. Diese Eigenschaften bestimmen, wie sie im Körper wirken und transportiert werden.
Die Wissenschaft steht noch am Anfang, die Wirkung von Nanopartikeln und MNP auf den Menschen zu verstehen. Laut aktuellen Übersichtsarbeiten können Nanopartikel sowie Mikro- und Nanoplastik auf verschiedenen Wegen - vor allem über die Atemwege und den Magen-Darm-Trakt - in den menschlichen Körper gelangen. Es gibt zunehmende Hinweise darauf, dass sich diese winzigen Partikel im Körper anreichern und biologische Barrieren (z.B. in Darm und Lunge) überwinden können, sodass sie in den Blutkreislauf gelangen. Die Aufnahme dieser Partikel führt zu oxidativem Stress und Entzündungsreaktionen sowie zu direkten Schädigungen von Zellen und Geweben. Diese Effekte können die normale Funktion von Organen stören und vielfältige toxikologische Folgen im Organismus nach sich ziehen [5].
Untersuchungsgegenstand
Am Beispiel von Titandioxid soll im Versuchsaufbau der Nachweis erbracht werden, ob und zu wieviel Prozent ein hochwertiges Filtersystem grundsätzlich in der Lage ist, Nanopartikel aus dem Trinkwasser zu filtern.
Wie in einem anderen Fachartikel bereits beschrieben, bietet die SingleParticle-ICP/MS hier eine attraktive Möglichkeit[6]. Mit ihr lässt sich die Fragestellung schnell, sicher und kostengünstig beantworten.
Versuchsaufbau:
Um die Fragestellung analytisch zu beantworten haben wir als Ausgangsmaterial ein Titandioxidmaterial AEROXIDE® TiO P25 von Evonik verwendet. In NIST SP12003 [7] dient dieses Titandioxidmaterial als Referenzmaterial zur Entwicklung eines validierten und standardisierten Protokolls zur Dispersion von TiONanopartikeln.
Aus diesem Ausgangsmaterial haben wir eine Vormischung erstellt, welche anschließend über die Filteranlage gegeben wurde. Die Filteranlage verfügt über ein Totvolumen von ca. 1.500 ml, insgesamt wurden 5.000 ml über die Anlage gegeben und anschließend die Proben entnommen. Die verwendete TiOSuspension enthielt etwa 12 Mrd. Partikel pro ml, davon ca. 60 % Nanopartikel. Die 5.000 ml Suspension enthielt also insgesamt 60.000 Mrd. Partikel, entspricht 60 Billionen.
Der Test wurde mit drei verschiedenen Systemen durchgeführt:
- WERTACH Quelle Pantera Basic mit neuen Filtern (Untertisch Wasserfilter)
- WERTACH Quelle Pantera Basic mit gebrauchten Filtern (Untertisch Wasserfilter)
- WERTACH Quelle Biella Basic Umkehrosmose mit neuen Filtern (Auftisch Wasserfilter)
Die Probenahme erfolgte an drei Punkten:
- Nach dem Aktivkohle-Blockfilter, um zu prüfen, welche Partikel bereits hier entfernt wurden
(P1 in der Abbildung 1).
- Abwasser (Retentat) der Umkehrosmose-Membran
(P2 in der Abbildung 1).
- Das gefilterte Wasser am Auslass der Anlagen (P3 in der Abbildung 1).
Abb.1: Aufbau der Versuchsanlage
Zur Analytik:
Das Messprinzip der SingleParticle-ICP/MS gemäß CEN ISO/TS 19590:2019 [8] beruht auf der Messung eines Leitelementes (z.B. Ti bei TiO2) mit extrem kurzen Messzeiten (dwell-time). Die gewählten Intervalle liegen bei 20-100 µs. Ein Messlauf von einer Minute bietet somit bis zu einer Millionen Messpunkte. Die Verdünnung der zu messenden Probe wird so gewählt, dass 1.000 bis 5.000 Ereignisse entstehen. Ein Ereignis entspricht einem Partikel. Somit lässt sich in einem Messlauf eine Anzahlgrößenverteilung von bis zu 5.000 Einzelpartikeln erstellen. Es ergeben sich extrem gut aufgelöste Histogramme in kürzester Messzeit.
Neben der Partikelanzahl und Partikelgröße besteht in der SingleParticle-ICP/MS die Möglichkeit, zusätzlich den gelösten (dissolved) Anteil zu bestimmen. Die Bestimmungsgrenze betrug 20 nm und 100 Partikel je Messlauf. Partikel kleiner als 20 nm werden mit der eingesetzten SP-ICP-MS-Methode nicht als Partikel erfasst, sondern als gelöster Anteil ausgewertet. Grund hierfür ist das Grundrauschen des Messgerätes. Nähere Informationen zu diesen Methodendetails werden in [9] beschrieben. Gelöste Anteile (Bestimmungsgrenze von 0,1 ppb) wurden in den gefilterten Wasserproben nicht nachgewiesen. Deshalb kann davon ausgegangen werden, dass keine Partikel kleiner 20 nm vorhanden waren. Zusätzlich ist aufgrund der Porengröße der verwendeten Umkehrosmose-Membran (0,1 nm) davon auszugehen, dass auch kleineren Partikel zuverlässig zurückgehalten werden.
Von allen Proben wurden jeweils wie in genannten Artikel [6] beschrieben, eine Dispersion erstellt. Diese Dispersion wurde in einen messbaren Bereich mit Reinstwasser verdünnt und am SingleParticle-ICP/MS auf Partikelanzahl, Partikelverteilung und gelösten Anteil analysiert.
Über die Partikelanzahl wurde berechnet, dass der Aktivkohle-Blockfilter bereits 99,95 % der Nanopartikel entfernt. Die nachgelagerte Umkehrosmose entfernt weitere 99,45 % der noch verbleibenden Nanopartikel, so dass insgesamt mehr als 99,9997 % der Nanopartikel entfernt wurden.
Abb.2: Entfernung von Nanopartikeln durch Aktivkohlefilter
Für die einzelnen Testgeräte wurden folgende Werte ermittelt:
- WERTACH Quelle Pantera Basic mit neuen Filtern (Untertisch Wasserfilter): 99,9995 %.
- WERTACH Quelle Pantera Basic mit gebrauchten Filtern (Untertisch Wasserfilter): 99,9997 %.
- WERTACH Quelle Biella Basic Umkehrosmose mit neuen Filtern (Auftisch Wasserfilter): 99,9999 %.
Zusammenfassung:
Die Ergebnisse belegen, dass die SingleParticle-ICP-MS eine präzise und effiziente Methode zum Nachweis und zur Charakterisierung von Nanopartikeln ist. Sie ermöglicht die simultane Bestimmung von Partikelanzahl, Größenverteilung und gelöstem Anteil mit hoher Auflösung und Reproduzierbarkeit. Die hohe Empfindlichkeit und die statistisch belastbare Erfassung mehrerer tausend Einzelpartikel pro Messlauf machen die SP-ICP-MS damit zu einem besonders geeigneten Werkzeug für die Bewertung der Wirksamkeit von Trinkwasserfiltersystemen im Nanopartikelbereich.
Es konnte analytisch nachgewiesen werden, dass mit allen Testgeräten mehr als 99,999 % der Nanopartikel im messbaren Bereich entfernt wurden.
Literatur:
- NanoImpact Band 29, Januar 2023, 100441
- Umweltbundesamt; Fragen und Antworten zu Mikroplastik
- BfR; Was ist Mikro- und Nanoplastik?
- ÖAW; Plastik und menschliche Gesundheit
- Eco Environ Health. 2023 Aug 21;2(4):195-207.
- Analytik NEWS, 07/2020; Nanopartikelanalyse in Lebensmitteln und Bedarfsgegenständen mittels SingleParticle-ICP/MS
- Taurozzi, J. S., Hackley, V. A., & Wiesner, M. R. (2012). Preparation of a nanoscale TiO aqueous dispersion for toxicological or environmental testing (NIST Special Publication 1200-3). National Institute of Standards and Technology.
- CEN ISO/TS 19590:2019 Nanotechnologien. Größenverteilung und Konzentration anorganischer Nanopartikel in wässrigen Medien durch Massenspektrometrie an Einzelpartikeln mit induktiv gekoppeltem Plasma
- Analytik NEWS, 05/2024; Untersuchung der Stabilität von Nanopartikeln in der Umwelt und Gewässern mittels SingleParticle-ICP/MS