Nanopartikelmessung mit SP-ICP-MS

Elementspezifische Analytik von Nanopartikeln – Nachweis in komplexen Medien

Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme von Titandioxid-Nanopartikeln in Abwasser.
© Fraunhofer IGB
Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme von Titandioxid-Nanopartikeln in Abwasser.

Breiter Einsatz von Nanopartikeln

Nanopartikel haben aufgrund ihrer geringen Größe in den letzten Jahren ein breites Anwendungsspektrum gefunden und werden gezielt mit neuen Eigenschaften ausgestattet, um dadurch wiederum die Eigenschaften von Produkten zu beeinflussen. Technisch hergestellte Nanopartikel finden sich beispielsweise in Elektronikartikeln und optischen Geräten, in Lacken, Klebstoffen und Textilien, aber auch in Kontrastmitteln für die Medizin, Kosmetikprodukten, Lebensmittel-Verpackungen und auch in Lebensmitteln selbst. Der weitreichende Einsatz von Nanopartikeln führt auch zu einem vermehrten Eintrag von diesen in die Umwelt.

 

Kennzeichnungspflicht von Nanopartikeln

Die im Juli 2013 in Kraft getretene Kosmetikverordnung schreibt vor, dass alle Kosmetik- und Körperpflegeprodukte, die Nanomaterialien enthalten, gekennzeichnet werden müssen. Die Beurteilung, ob es sich um ein Nanomaterial handelt, erfolgt auf Basis der Anzahl-Verteilung. Nach dieser Verteilung handelt es sich um ein deklarierpflichtiges Nanomaterial, wenn mindestens 50 Prozent der Partikel eine Größe von 1–100 nm aufweisen. Bisherige Angaben der Hersteller erfolgen meist auf einer Volumen-Verteilung (Masse-Verteilung). Diese kann nicht direkt in eine Anzahl-Verteilung umgerechnet werden. Eine entsprechende Kennzeichnungspflicht von Nanomaterialien in Lebensmitteln ist im Dezember 2014 in Kraft getreten.

Häufigkeitsverteilung einer Gold-Nanopartikelsuspension.
© Fraunhofer IGB
Häufigkeitsverteilung einer Gold-Nanopartikelsuspension.

Analytik von Nanopartikeln

Aufgrund der Vorgaben seitens der Gesetzgeber wächst der Bedarf nach einer geeigneten Methode, um Nanopartikel analytisch zu charakterisieren. Aktuell gängige Verfahren sind bildgebende elektronenmikroskopische Methoden, wie die Transmissions- (TEM) und Rasterelektronenmikroskopie (REM), oder Partikelmessungen, die auf der Lichtstreuung (DLS, SLS, NTA) basieren. Mit diesen Verfahren werden die Partikel vor allem qualitativ über Größenverteilung, Zetapotenzial, Molekulargewicht und Form charakterisiert. Die Verfahren sind jedoch nicht sehr selektiv und ungeeignet für komplexe, polydisperse Medien, wie sie beispielsweise in Kosmetikprodukten vorliegen. Eine elementspezifische und quantitative Möglichkeit, Nanopartikel direkt zu analysieren gab es bisher nicht.

Partikelgrößenverteilung einer Gold-Nanopartikelsuspension.
© Fraunhofer IGB
Partikelgrößenverteilung einer Gold-Nanopartikelsuspension.

Neuer quantitativer, elementspezifischer Nachweis

Am Fraunhofer IGB haben wir eine Methode etabliert, um anorganische Nanopartikel direkt, elementspezifisch und sehr empfindlich neben gelösten Ionen zu bestimmen. Dabei werden die Partikel mittels Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP‑MS) im Single‑Particle‑Modus (SP‑ICP‑MS) analysiert.

Das Messverfahren SP-ICP-MS basiert auf der Analyse einzelner Partikel. Die Besonderheit des Verfahrens ist, dass man durch eine statistische Auswertung der Rohdaten zwischen der gelösten, ionischen Konzentration des entsprechenden Elements und der Partikelkonzentration differenzieren kann.

 

Vorteile und Ausblick

Im Vergleich zu den bestehenden Methoden ist die SP-ICP-MS ein schnelles Verfahren mit Bestimmungsgrenzen bis in den Ultraspurenbereich. Aufgrund der selektiven Analyse ist es auch für komplexe, polydisperse Medien, wie Kosmetika und Lebensmittel, geeignet. Mit der SP-ICP-MS können Nanopartikel im Vergleich zu bildgebenden Verfahren elementspezifisch nachgewiesen werden, sodass die Bestimmung auch neben anderen Partikeln möglich ist. Zudem lassen sich anorganische Kerne von ummantelten Partikeln analysieren.

Über die statistische Auswertung werden Anzahl-Verteilungen erhalten, wie sie für die Kennzeichnung nach der Kosmetikverordnung benötigt werden.

Die SP-ICP-MS eignet sich zur Materialcharakterisierung und Qualitätssicherung im Unternehmen ebenso wie zur Überwachung seitens der Landesämter für Verbraucherschutz. Zunehmend entwickelt sie sich auch zur analytischen Methode der Wahl, um den Verbleib und die Auswirkungen von Nanomaterialien in der Umwelt zu erforschen.