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Analytische Herausforderungen im
21. Jahrhundert
Möglichkeiten und Grenzen
Friedrich Sövegjarto
120 Jahre Österreichisches Lebensmittelbuch
Verbrauchererwartungen und ihre Umsetzung
12 – 13 Oktober 2011
www.ages.at
Österreichische Agentur für Gesundheit und Ernährungssicherheit GmbH
Analyseverfahren
Analytische Untersuchungen dienen dazu die qualitative
Zusammensetzung einer unbekannten Probe zu bestimmen oder
auf das Vorhandensein von definierten Substanzen zu prüfen bzw.
deren Menge quantitativ zu bestimmen
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Analytik
Die Analytik liefert Daten für den Entscheider in Politik, Medizin
Wissenschaft und Wirtschaft.
Der Konsument ist im Alltag auf die Urteile der analytischen
Chemie angewiesen.
- Pflanzenschutzmittelrückstände, Mykotoxine, Schwermetalle
- gentechnisch veränderte Lebensmittel
- Trinkwasser
- Zusatzstoffe
- Allergene
- Radioaktivität …..
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Herausforderungen für ein
Amtliches Labor
Die „richtigen“ Ergebnisse müssen rasch und zum passenden
Zeitpunkt vorliegen.
Dafür sind notwendig:
ein weites Spektrum analytischer Untersuchungsverfahren
für alle möglichen Arten von Matrizes mit höchstmöglicher
Qualität zu niedrigen Kosten und mit möglichst kurzen
Erledigungszeiten…
Ist das möglich?
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Herausforderungen meistern
Kompetente und erfahrene Mitarbeiter („Chemiker“,
Techniker, Laboranten, Hilfskräfte)
Entsprechende analytische Ausrüstung und Infrastruktur
Verständnis für den Kunden, seine Sprache und seine
Anforderungen
Effizientes Probenmanagement und eine gut organisierte
interne Logistik
Verstärkter Einfluss des Labors auf Proben- und
Untersuchungsplanung
Vernetzung mit anderen Labors, Universitäten und
Forschungseinrichtungen
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Technologische Unterstützung
LC-MS/MS erlaubt eine schnelle und empfindliche Bestimmung in einem
breiten Matrixspektrum mit einem Minimum an Probenaufbereitung
Multirückstandsmethoden:
- Tierarzneimittelrückstände
- Pflanzenschutzmittelrückstände
- Organische Kontaminanten (Acrylamid, Sudan Farbstoffe,..)
- Mykotoxine
Screening Methoden
- einfach, schnell und billig
- Ja/Nein Entscheidung mit einem geringen Fehlerprozentsatz
(falsch positiv oder negativ)
- LC-MS/MS
Automatisierung (Roboter, paperless lab,…)
(aber: geringe Probenanzahl bei vielen Methoden)
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Was haben wir erreicht
Einige Beispiele:
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Medien
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Sample Preparation
Method
Sample
amount
Solvent-Consumption
Cleanup
1996-1997
Specht
and Tilkes
100 g
GPC, Kieselgel
200 ml Aceton (Extraktion)
100 ml Dichlormethan
100 ml Essigester (GPC)
100 ml Cyclohexan (GPC)
25 ml n-Hexan (Kieselgel)
30 ml Toluol (Kieselgel)
30ml Aceton (Kieselgel)
1997-2007
Luke
de Kok
2002-2007
L. Alder,
J. Klein
10 g
2006-2007
QuEChERSMethod
NO
30 ml Aceton
30 ml Dichlormethan
30 ml Petrolether
NO
20 ml Methanol
16 ml Dichlormethan
7,5-15 g
10 g
Addition of PSA* to the
extract
10 ml Acetonitril
*mixture of primary and
secondary Amines ( SPE)
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Sample Preparation
Nach Tieffrieren – homogenisieren mit
Trockeneis oder flüssigem Stickstoff
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Instrumentelle Analytik
Multimethoden
LC-MS/MS
Flüssigchromatographie
> 550 Analyten
GC-MS , GC-MS/MS, GC-ECD
Gaschromatographie
Massenspektrometrische Detektion
Weitere Anwendungen: Mykotoxine, Tierarzneimittelrückstände,…
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Probenanzahl und
Analytspectrum
1996
36
103
1997
79
1998
79
1999
88
2000
237
188
333
374
100
2001
519
135
2002
791
156
2003
670
210
2004
805
240
2005
1110
260
2006
> 300
2007
> 300
2010
1606
1756
1983
> 500
0
200
400
600
Probenanzahl
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800
1000
1200
Analytspektrum
1400
1600
1800
2000
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Sample Preparation Water
NO Solid Phase or Flüssig/flüssig- Extraktion
No
Derivatisation
Direct Injection
LC-MS/MS
about 120 substances
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GVO - Screening
Es existieren mehr als 100 GVO weltweit!
mehr als 50% sind „unauthorised GMOs“ (uGMOs)
Screening ist der einzige Weg zur Detektion von
uGMOs!!!
Screeningergebnisse sind ein Hinweis aber kein
Beweis!!!
Kein Positivmaterial oder Referenzmaterial
Keine Sequenzinformation
Keine Event-spezifische Methode verfügbar
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Screeningprinzip
Illustration – GVO Detektion:
construct, insert, event
plant-DNA
control
promoter element
(optional)
structure
gene
terminator
plant-DNA
protein
ELISA, dipstick
Screening
elements:
promoter
gene
terminator
spezific detection (transition region):
construct-specific detection:
event-specific detection:
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Weitere Herausforderungen
Globalisierung und „emerging risks“
Neue Produkte, neue oder unerwartete Kontaminanten,
Verfälschungen, Herkunftsangaben,..
Globale Erwärmung
Weitere Ausbreitung von Schädlingen und Mikroorganismen
(Antibiotika- und Pflanzenschutzmitteleinsatz, Resistenzbildung…)
Neue Technologien
(Nanopartikel,..)
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„Emerging Risks“
Definition nach EFSA/SC/415 Final:
„…is understood as a risk resulting from a newly
identified hazzard to which a significant exposure may occur or
from an unexpectrd new or increased significant exposure
and/or susceptibility to a known hazzard.“
Example: „Analytical or diagnostic results obtained with
new methods,….hazzards that were previously rarely diagnosed
because of the lack of adequate methods…“
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„Emerging Risks“
Neben den bekannten Zielanalyten (target screening) soll
auch eine Untersuchung auf „sonstige Auffälligkeiten“ erfolgen.
(non target screening) - wenn möglich simultan .
Spektroskopische Informationen (MS-Spektrum)
werden gesammelt mit Datenbanken verglichen und ein
Strukturvorschlag erstellt.
• Quadrupolmassenspektroskopie (hohe Empfindlichkeit gefordert)
• Flugzeitmassenspektroskopie
• FT-IR Techniken
Plausibiliserung durch die Expertise des Analytikers!!!
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„Herkunftsanalytik“ (Verfälschung)
Die Herkunftsangabe als Qualitätskriterium meist in Kombination mit
„höherpreisigen“ Produkten verleitet zu Verfälschungen.
• Stabilisotopentechnik
• Metalle der Gruppe der Seltenen Erden (Lanthaniden)
Standardmethode ICP-MS; extreme Spurenanalytik, Kenntnisse der Geologie der
Ursprungsregion
• Kernresonanzspektroskopie
Fingerprint einer Probe über das Profil der chemischen Struktur der
Inhaltsstoffe rasch mit geringster Probenvorbereitung
• Verhältnis der Konzentration bestimmter Inhaltsstoffe
Chromatographische Methoden in Kombination mit MS
Alle Techniken in Kombination mit multivariaten statistischen
Auswerteverfahren!!!
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Stabilisotopentechnik
Bei bestimmten Elementen (C, H, O, N, S,..) wird das Mengenverhältnis
zwischen schweren und leichten Isotopen durch physikalisch chemische Vorgänge
verschoben. Diese Verschiebung wird relativ zu internationalen Referenzstandards
gemessen und als Delta-Wert angegeben.
Kohlenstoff: C-3 oder C-4 Pflanze (CO2, Carbonat)
Sauerstoff/Wasserstoff: Isotopenverhältnisse des lokalen Grundwassers
Wasser mit schweren Isotopen verdampft schwerer und
regnet leichter ab (Süd - Nord Gefälle und Gefälle in
Hauptwindrichtung West – Ost auf der Nordhalbkugel)
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Stabilisotopentechnik
Zur Analyse werden organische Proben in die entsprechenden Messgase
(CO2, H2O) umgewandelt, welche in einem Massenspektrometer (IRMS) auf
ihre Isotopenverhältnisse untersucht werden.
Kalibration: Referenzgase mit exakt bekannten Isotopenverhältnissen
Anwendung:
Wein: Fruchtsäfte: Fremdzucker, Herkunft,
Verdünnung
Gemüse: Herkunft, Art der Produktion
Fleisch, Fisch: Herkunft, Produktionsart….
Isotope Ratio MS IRMS
Nachteile:
aufwendige Technik
Datenbank mit authentischen Refernzproben
jedes Jahr neue Referenzproben
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IIRMS Quelle: wikipedia.org/wiki/File:Mass_spectrometer_schematics.png
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Nanotechnologie
EU Kosmetikverordnung
(EG) Nr. 1223/2009
Definition Nanomaterial (Art. 2)
„ein unlösliches oder biologisch beständiges und absichtlich
hergestelltes Material mit einer oder mehreren äußeren
Abmessungen oder einer inneren Struktur in einer
Größenordnung von 1 bis 100 Nanometern“
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Nanotechnologie
Nanopartikel können im Vergleich zu größeren Partikeln:
• geänderte
physikalische Eigenschaften aufweisen
(Leitfähigkeit, Farbe, Transparenz, Dichte,..)
• geänderte
chemische Eigenschaften zeigen
(Reaktionsfähigkeit, katalytische Eigenschaften, Löslichkeit, Struktur,..)
• geänderte
biologische Eigenschaften besitzen
(Membrangängigkeit, Diffusionseigenschaften, Lungengängigkeit,..)
Daher können Nanopartikel im Vergleich zu größeren
Partikeln des selben Materials auch ein anderes
Gefährdungspotential aufweisen.
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Nanotechnologie Analytik
Identifizierung und Charakterisierung von Nanopartikeln an
Trockenpräparaten
• Rasterkraftmikroskopanalyse
• Elektronenmikroskopie
Nachweis von Nanopartikeln in Emulsionen und Suspensionen
(verdächtige Lebensmittel und Kosmetika) sowie in
Migrationslösungen (z.B. von Innenflächen nanotechnologischer
Verpackungen) und anschließende Elementanalytik
• Laseroptische mikroskopische Bewegungsanalyse
• ICP-MS nach Membranfiltration
• Feldflussfraktionierungsanalyse (FFF)
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Nanotechnologie
Rasterelektronenmikroskopie
= Scanning electron microscope (SEM)
Topographie und Morphologie der Partikel: Form, Größe und
Anordnung der Teilchenoberfläche
Echtes 3D Bild
Transmissionselektronenmikroskopie (TEM)
Topographie (über Tomographie - 3D-Bilder) und Morphologie der
Partikel: Form, Größe und Anordnung der Teilchen in der Probe (nmBereich), innere Teilchenstruktur.
Verhalten der Partikel im Gewebe
2D-Bild - Rekonstruiertes 3D-Bild!
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Nanotechnologie
Partikelmessung
Interne
Gerätekalibrierung
Ø 8,36nm
(genormtes
Ag Partikel)
Bildanalyse AnalySYS
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S. Richter, IVET Mödling, AGES
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Nanotechnologie
Transmissionselektronenmikroskopie
Aufnahme eines Pulverförmigen Nahrungsergänzungsmittels
S. Richter, IVET Mödling, AGES
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Nanotechnologie
Rasterelektronenmikroskop REM Aufnahmen
Aufnahme eines Pulverförmigen Nahrungsergänzungsmittels
S. Richter, IVET Mödling, AGES
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Nanotechnologie
Laseroptische mikroskopische Bewegungsanalyse
.
C. Wiezorek, CVUA MEL
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Nanotechnologie
Laseroptische mikroskopische Bewegungsanalyse
.
Videoaufnahme der
Brownschen Bewegung
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Trajektorien der
verfolgten Partikel
Größenverteilung der
Partikel nach Berechnung
der Größe jedes verfolgten
Partikels aus seiner
Geschwindigkeit
C. Wiezorek, CVUA MEL
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Nanotechnologie
Welche ist die „NANO“-Zahncreme ?
A
B
C
D
E
F
„NANO“
C. Wiezorek, CVUA MEL
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Grenzen der Analytik?!
• Die „Unmessbarkeit“ des Nullwertes, der Konzentration Null bzw.
des Nichtvorhandenseins einer Substanz in einer Probe
• Das Motto der Olympischen Spiele:
„Citius, Altius, Fortius“ in der Analytik
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Danksagung!
Claus Wiezorek, Axel Preuß CVUA Münster Emscher Lippe
Susanne Richter AGES IVET-Mödling
Sonja Masselter AGES CC-PSMR
Rupert Hochegger AGES CC-BIOC
Klaus Riediger AGES ILMU Wien
Allen Kolleginnen und Kollegen der
Analytikkompetenzzentren der AGES!!!
Danke für die Aufmerksamkeit!
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