Bericht 2006 - grk 826 - Johannes Gutenberg

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Arbeits- und Ergebnisbericht
des
Graduiertenkollegs GRK 826/2
Berichtszeitraum
15. Februar 2006 – 15. Februar 2007 (Zeitpunkt der Erstellung des Berichts)
Spurenanalytik von Elementspezies:
Methodenentwicklungen und Anwendungen
Trace analysis of elemental species:
Development of methods and applications
Beteiligte Fachbereiche und Arbeitsgruppen
FB Physik, Mathematik
und Informatik
FB Medizin
Prof. Dr. H. Duschner
Angewandte Strukturund Mikroanalytik
FB Chemie, Pharmazie
und Geowissenschaften
FB Biologie
Prof. Dr. T. Hoffmann
Anorganische und Analytische Chemie
Prof. Dr. J.V. Kratz
Prof. Dr. T. Reich
Kernchemie
Prof. Dr. M. Kersten
Geowissenschaften
Prof. Dr. W. Wilcke
Geographisches Institut
Prof. Dr. H. König
Mikrobiologie und
Weinforschung
Prof. Dr. S. Borrmann
Physik der Atmosphäre
PD. Dr. Klaus Wendt
Physik
Max-Planck-Institut
für Chemie
Prof. Dr. S. Borrmann
Abteilung
Partikelchemie
1
Inhaltsverzeichnis
Karin Bartusseck
Speziation von Selen in Pflanzen
3
Moritz Bigalke
Bestimmung der Stabilisotopenverhältnisse von Cd,
Cu und Zn in Bodenproben
6
Wolfram Brüchert
Entwicklung einer online-Kopplung der Gelelektrophorese (GE) mit der induktiv gekoppelten
Plasma-Massenspektrometrie (ICP-MS)
10
Zuzaan Damdinsuren
Spatially resolved speciation of heavy metals in soil
samples using X-ray spectroscopy (8-XAFS)
18
Burkhard Knopf
Methylierung von Quecksilber im Intestinaltrakt des
Kompostwurms und Identifizierung der für die Methylierung verantwortlichen Mikroorganismen
22
Daniel Kremer
Bilanzierung des biomethylierbaren Anteils von Hg,
Te, Se und Sn in einer Siedlungsabfalldeponie
27
Mirko Peitzsch
Mikrobielle Metabolisierung bioverfügbarer Metall(oid)e aus der Bodenmatrix in Abhängigkeit des
vorliegenden Bodensubstrates
34
Yvonne Scheller
Detektion von Metallspezies in einzelnen lebenden
Zellen mit hoher lateraler Auflösung
39
Sonja Dierking
Direkte Speziation der Sorption von Neptunium an
Silica, Aluminiumoxid und Montmorillonit
46
Sebastian Raeder
Entwicklung einer Online-Einbringung für die Ultraspurenanalyse von Uran 236 mittels hochauflösender Resonanzionisations-Massenspektrometrie
51
Víctor Vicente Vilas
Study of the interactions of Neptunium with humic
substances and the clay mineral montmorillonite by
direct and indirect speciation methods
55
Ru-Jin Huang
Novel approaches to the analysis of iodine species
in the marine boundary layer
60
Senchao Lai
Iodine speciation in atmospheric aerosols in marine
boundary layer
64
Nicola Springer
Entwicklung einer Methode zur Bestimmung von
Iodispezies in maritimen Umweltproben mit GC/MS
68
Sören Zorn
Development of Quantitative Single Particle Mass
Spectrometry for the Speciation of Iodine Compounds in the Marine Aerosol
73
2
Thema und Betreuer des Dissertationsprojekts
Stipendiatin: Karin Bartusseck
Speziation von Selen in Pflanzen
Betreuer: Prof. Dr. Michael Kersten
Darstellung des Dissertationsprojekts und der Forschungsergebnisse
Selen (chemisches Symbol Se) ist ein Halbmetall aus der sechsten Hauptgruppe des Periodensystems. Dort steht es direkt unterhalb des Schwefels. Die chemischen Eigenschaften
dieser beiden Elemente sind ähnlich und sie treten meist vergesellschaftet auf. Selen tritt –
wie Schwefel – in verschiedenen Oxidationsstufen auf: -II in Seleniden, 0 in elementarem
Selen, +IV in Seleniten und +VI in Selenaten. Der Gehalt in der Erdkruste wird auf 0,05 bis
0,09 mg/kg geschätzt [1]; somit ist Selen ein Spurenelement.
Im Boden kommt Selen in Abhängigkeit vom pH-Wert und des Redoxpotentials in verschiedenen Spezies vor. SeVI ist die vorherrschende Spezies in trockenen, alkalischen Böden unter oxidierenden Bedingungen und ist bioverfügbar. Es bildet gut lösliche Salze, die aus dem
Boden ins Grundwasser ausgewaschen werden können. Salze mit SeIV sind hingegen kaum
bioverfügbar; sie kommen in neutralen Böden unter schwach oxidierenden Bedingungen vor,
wo sie leicht an Tonminerale absorbieren. Selenide (Se-II) sind in sauren, reduzierenden Böden stabil. Sie sind schwerlöslich und daher nicht bioverfügbar.
Für Pflanzen ist Selen nach bisherigem Kenntnisstand kein essentielles Element. Im Allgemeinen können Pflanzen bezüglich ihres Verhaltens gegenüber Selen in drei Gruppen eingeteilt werden [2]. Primäre Akkumulatoren sind Pflanzen, die auf Böden mit hohen Gehalten
bioverfügbaren Selens wachsen. Selengehalte in diesen Pflanzen können bis zu 4 g/kg Trockenmasse betragen. Die zweite Gruppe beinhaltet die so genannten sekundären Indikatoren, die auf Böden mit niedrigeren Selengehalten wachsen. Trotzdem können diese Pflanzen
bis zu 1 g/kg Trockenmasse akkumulieren. Alle sonstigen Pflanzen gehören zur dritten
Gruppe, die der nichtakkumulierenden Pflanzen. Sie werden schon durch einige mg/kg Se im
Boden in ihrem Wachstum gestört. Der Selengehalt in diesen Pflanzen beträgt normalerweise nicht mehr als 25 mg/kg Trockenmasse.
Pflanzen nehmen Selen vor allem in anorganischer Form (als Selenat oder Selenit) aus dem
Boden auf. Nach der Aufnahme über die Wurzeln wird es in die oberirdischen Teile der
Pflanze transportiert, wo es zu organischen Selenverbindungen metabolisiert wird. In Analogie zum Schwefelmetabolismus wird Selen in Aminosäuren eingebaut. Der Einbau der Aminosäuren Selenocystein und Selenomethionin verursacht bei nichtakkumulierenden Pflanzen
Toxizitätssymp-tome, während akkumulierende Pflanzen andere, nichtproteinogene Aminosäuren synthetisieren können und so einen Einbau von Selen in Proteine verhindern. Es wird
vermutet, dass die Möglichkeit, Selen zu akkumulieren, Pflanzen gegen Fraßfeinde und Pathogene schützt. Außerdem können Pflanzen auch flüchtige Selenverbindungen (vermutlich
zur Entgiftung) synthetisieren.
Im Rahmen dieser Arbeit sollen Selenspezies in Pflanzen charakterisiert und ortsaufgelöst
analysiert werden. Dabei sollen in einem ersten Teil der Arbeit der Umsatz zu flüchtigen
Spezies untersucht sowie die Gesamtgehalte an Selen in verschiedenen Pflanzenteilen
(Wurzeln, Blatt, Stängel) bestimmt werden. Anschließend sollen mithilfe der Röntgenfluoreszenz der Selengehalt verschiedener Pflanzenteile in 8m-Ortsauflösung dreidimensional abgebildet werden. In einem letzten Schritt soll dann die synchrotrongestützte, ortsaufgelöste
Speziation der Selenverbindungen in der Pflanze erfolgen.
Die Aufzucht der Pflanzen erfolgt am Institut für Pharmazie in enger Kooperation mit der AG
Stöckigt (Pharmazeutische Biologie). Es wurden zwei Pflanzen für die Untersuchungen aus3
gesucht: Nicotiana benthamiana und Brassica juncea. Während Tabakpflanzen in der Literatur als empfindlich gegenüber Selen beschrieben wurden, gehört Brassica juncea zu den selenakkumulierenden Pflanzen. Zurzeit wachsen die Pflanzen in Erlenmeyerkolben in einer
Nährlösung, die alle essentielle Nährstoffen sowie 0,1 mg/L Se (in Form von Selenat) enthält. Vor dem Aussäen werden die Samen in Natriumhypochloritlösung desinfiziert, um Bakterien und Pilze abzutöten und damit Infektionen zu vermeiden.
Für eine erste Probennahme flüchtiger Selenverbindungen wurden ungefähr anderthalb Monate alte Pflanzen mitsamt der Erlenmeyerkolben in Exsikkatoren gasdicht eingeschlossen.
Nach einem Tag bzw. 8 Tagen wurde der Gasraum mittels SPME (solid phase micro extraction) beprobt, um anschließend mit GC-ICP-MS analysiert zu werden. Dabei zeigte sich,
dass nach einem Tag noch keine Selenverbindungen im Gasraum nachzuweisen waren.
Nach 8 Tagen Anreicherungszeit wurde bei Nicotiana Benthamiana ein Peak bei ungefähr
120
Sekunden
beobachtet
(s. Abb. 1), der vermutlich Dimethylselenid entspricht. Damit wurde nachgewiesen, dass Nicotiana Benthamiana Selen verflüchtigen kann.
1200
1000
I in cps
800
600
400
200
0
0
150
300
450
600
750
900
t in s
Abb. 1:
82
Chromatogramm für Se
Als nächstes soll versucht werden, höhere Konzentrationen an flüchtigen Selenverbindungen
zu erreichen. Einerseits wurden Pflanzen mit einer Selenatkonzentration von 1,0 mg/L
Nährmedium ausgesät. Ein anderer Ansatz ist es, die Pflanzen eine gewisse Zeit im Nährmedium ohne Selen heranwachsen zu lassen und sie dann für eine gewisse Zeit in Laborflaschen mit selenhaltiger Lösung umzusetzen. Diese Flaschen bieten den Vorteil, dass sie ein
geringeres Volumen als die bisher verwendeten Exsikkatoren haben und trotzdem eine Gasraumbeprobung erlauben.
Dauer der Promotion
Beginn im Oktober 2006
4
Angaben zu im Berichtszeitraum entstandene Publikationen, Kongressbeiträgen etc.
Zusammenarbeit mit bzw. Bezug zu anderen Projekten
Kooperationen bestehen in Bezug auf die Analytik (GC-ICP-MS) mit dem GRK-Stipendiat
Mirko Peitzsch sowie dem assozierten Doktoranden Daniel Kremer.
Teilnahme am Studienprogramm
21.02.2007:
Gastwissenschaftlervortrag von Prof. Manceau (Grenoble, Frankreich)
„Probing the speciation of metals in environmental nanoparticles with
combined X-ray micro fluorescence, diffraction and absorption“
Betreuung im Graduiertenkolleg
Betreuer:
weiterer Betreuer:
Prof. Dr. Michael Kersten
Prof. Dr. Joachim Stöckigt (Kooperationspartner des GRK)
Auslandsaufenthalte
28.02. – 01.03.2007: “Workshop on X-ray absorption spectroscopy and theory of XAS” am
Paul-Scherrer-Institut, Villigen, Schweiz
Alter bei Eintritt ins Graduiertenkolleg
25 Jahre
Literaturangaben
Claussnitzer, S., Wilke, B.-M.: Selen. In: Litz, N., Wilcke, W., Wilke, B.-M. (Hrsg.): Bodengefährdende Stoffe – Bewertung - Stoffdaten - Ökotoxikologie - Sanierung, Loseblattwerk, ecomed Medizin, Landsberg, 2005.
Dürre, P., Andreesen, J. R.: Die biologische Bedeutung von Selen, Biologie in unserer Zeit,
16(3), 1986, 12-23.
5
Assoziierter Doktorand: Moritz Bigalke
Bestimmung der Stabilisotopenverhältnisse von Cd, Cu und Zn in Bodenproben
Betreuer: Prof. Dr. Wolfgang Wilcke
Die verschiedenen Isotope eines Elements zeigen unterschiedliches Verhalten bei physikalischen und chemischen Prozessen. Die Ursache dafür sind u.a. Unterschiede in den Diffusionsraten und Bindungsfestigkeiten der Isotope. Die verschiedenen Bindungsstärken trotz gleicher Elektronenkonfiguration- der Isotope lassen sich quantenmechanisch durch die
ungleichen Massen erklären, wodurch sich die Schwingung des Atoms ändert. Leichte Isotope haben eine höhere Schwingungsenergie als die schweren Isotope und benötigen daher
eine geringere Dissoziationsenergie (Abb.1).
Abbildung 1: Unterschiedliche Bindungsstärken von verschiedenen stabilen Isotopen eines
Elements.
Durch unterschiedliche Verdampfung-, Reaktions- und Diffusionsgeschwindigkeiten kann es
zu einer Verschiebung in der Isotopensignatur der Elemente kommen. Die Stärke dieser
Fraktionierung hängt wiederum von anderen Parametern, wie der Temperatur und dem
Druck ab. Durch die Bestimmung der Verhältnisse der stabilen Isotope eines Elementes lassen sich Rückschlüsse auf ebensolche Prozesse ziehen.
Für eine Vielzahl „leichter“ Elemente (C, N, S, O) ist die Bestimmung von Isotopenverhältnissen inzwischen ein häufig angewandtes Mittel, um das Verhalten der Elemente in der Umwelt und im Boden nachzuvollziehen.
So ist z.B. bekannt, dass es in C4- und C3-Pflanzen aufgrund ihres unterschiedlichen
Stoffwechsels zu einer Fraktionierung bei der Aufnahme von Atmosphärischen CO2 kommt.
Während in C3-Pflanzen gegenüber atmosphärischen CO2, 13C um etwa 20 ‰ fraktioniert ist
kommt es in C4-Pflanzen nur zu einer Fraktionierung von 5‰. Durch diese Fraktionierung
kann man auch bei vielen Herbivoren anhand ihres U13C Wertes auf die Hauptfutterpflanzen
schließen.
Bei den leichten Elementen fallen durch den großen Masseunterschied der Isotope die Fraktionierungen relativ deutlich aus. Diese sind bei schweren Elementen deutlich geringer,
schwieriger zu bestimmen und noch wenig erforscht.
In diesem Bereich gab es in den letzten Jahren große Fortschritte und es wurden neue Anwendungsmöglichkeiten entwickelt. So wurde z.B. festgestellt, dass die Ca-Fraktionierung
während der CaCO3-Fällung in Meerwasser temperaturabhängig verläuft. Damit lässt sich
6
aus marinen Carbonatablagerungen auf die Temperatur des Meerwassers zur Entstehungszeit der Ablagerungen schließen.
Aber auch für Cd, Cu und Zn wurden schon Untersuchungen durchgeführt. So wurde von
einer Fraktionierung von Cd und Zn in den oberen Ozeanschichten berichtet, die wahrscheinlich auf die präferenzielle Aufnahme der leichten Isotope durch das Plankton
zurückzuführen ist. Auch vulkanische Aktivität oder reduzierende Bedingungen führen zu
einer Fraktionierung von Cd, Cu und Zn in der Umwelt. Für Cd wurden die Isotopenverhältnisse in Meteoriten und Mondgestein untersucht die erhebliche Unterschiede zu den
irdischen Gesteinen aufweisen.
Die Messungen von Isotopenverhältnissen erfolgt in der Regel mittels Thermionen-MS oder
Multicollector-ICP-MS. Der Hauptvorteil der beiden Geräte ist, dass die verschiedenen Isotope mit mehreren Detektoren simultan gemessen werden und somit das gemessene Isotopenverhältnis von Signalschwankungen relativ unbeeinflusst bleibt. Das TIMS weißt den
Vorteil der höheren Signalstabilität und geringerer Störung auf, wohingegen das MC-ICP-MS
kürzere Messzeiten und eine bessere Ionisierungseffizienz bietet.
In unserer Arbeit werden wir versuchen, die Messungen mit dem Multicollector-ICP-MS
durchzuführen.
Die relativ geringen Fraktionierungen, die bei den Untersuchungen gemessen werden sollen,
machen einen hohen Aufwand in der Probevorbereitung erforderlich. Insbesondere Bodenproben bilden eine komplexe Matrix, die bei der Analyse zu vielen Problemen führen kann.
Daher wurde der in Abbildung 2 dargestellte Ablaufplan entwickelt.
Die Proben müssen aufgereinigt werden um Interferenzen während der Messung zu vermeiden. Zu Interferenzen kann es sowohl durch gleich schwere Isotope eines anderen Elementes, als auch durch die Bildung von Molekülionen im Plasma kommen. Die Aufreinigung
erfolgt über Anionenaustauscherharze. Dabei werden die verschiedenen Elemente mit
unterschiedlichen Säuren und Säurekonzentrationen selektiv getrennt. Für eine weitere Aufreinigung der Cd-Fraktion wird zusätzlich ein elementspezifisches Austauscherharz verwendet, um Störungen von 116Cd, 114Cd und 112Cd, durch Spuren von 116Sn, 114Sn und 112Sn zu
unterbinden.
Es müssen Verfahren zur Beobachtung der Fraktionierung während der Probenaufbereitung
und der Massendiskriminierung während der Messung entwickelt werden. Kontaminationen
sollten möglichst auszuschließen sein. Zu diesem Zweck soll bei Zn und Cd, die aus fünf
bzw. sieben stabilen Isotopen bestehen, mit Isotopendoppelspikes gearbeitet werden.
Mithilfe dieser Doppelspikes können die Ergebnisse nach der Analyse rechnerisch für alle
während der Probenaufbereitung und Messung aufgetretenen Fraktionierungen korrigiert
werden. Kupfer hingegen hat nur zwei stabile Isotope. Deshalb soll ein interner Standard mit
bekanntem Isotopenverhältnis zugegeben werden. Dieser interne Standard eignet sich zur
Abschätzung der Massendiskriminierung während der Messung. Um eine Fraktionierung auf
dem Austauscherharz auszuschließen, muss die Wiederfindung überprüft werden. Sie sollte
nahezu 100% betragen.
7
Bodenprobe
•Probenvorbereitung
Bodenprobe
•Totalaufschluss
•Cd und Zn Isotopendoppelspike
Gespikte Probe in HF-HNO3-Matrix
•Vorbereitung für
Aufreinigung
•Aufreinigung, Seperation
Cu in HCl-Matrix
•Probenaufbereitung
•Überprüfung der Wiederfindung
•Zugabe interner IsotopenStandard
Cu und Standard
in HNO3
Zn in HCl-Matrix
Cd in HNO3-Matrix
•Abtrennung von Sn
Gespiktes Cd in HNO3
Gespiktes Zn in HNO3
Messung mit dem MC-ICP-MS
Stabilisotopenverhältnisse von
Cd, Cu und Zn
Abbildung 2. Ablaufplan für die Probenvorbehandlung und Messung.
Zur Erprobung der Methode wurde ein Referenzboden, ein aufbereiteter Boden aus Mainz
und entsprechende Blindwerte in vielfachen Wiederholungen aufgeschlossen, mit verschiedenen Methoden aufgereinigt und auf Wiederfindung, Reproduzierbarkeit und möglichst
niedrige Blindwerte geprüft. Diese Untersuchungen erfolgten mit dem GFAAS und dem ICPMS. Entsprechend der Ergebnisse wurde das Verfahren optimiert. Es wurden noch keine
Isotopenmessungen mit dem Multicollector-ICP-MS durchgeführt da diese Messungen aufwendig sind und erst Sinn haben wenn die Probenvorbereitung optimiert ist.
Für die Zukunft ist angedacht den Einfluss verschiedener Prozesse auf die Isotopenverhältnisse von Cd, Cu und Zn in Böden zu untersuchen.
Dauer der Promotion
Beginn 15.10.2006
Vorrausichtliches Ende: 14.10.2009
Angaben zu im Berichtszeitraum entstandenen Publikationen, Kongressbeiträgen etc.
Noch keine
8
Die Messungen der Isotopenverhältnisse sollen in Kooperation mit dem Max-Planck-Institut
für Chemie erfolgen. Des weiteren ist eine Kooperation mit einem neuen Stipendiaten im
Rahmen des GRK unter Betreuung von Prof. Wilcke angedacht. Dieser wird in naher Zukunft
über Stabilisotopenverhältnisse von Selen und Selenisotopenfraktionierungen während der
Selenalkylierung forschen.
Noch keine
Betreuer: Prof Dr. Wilcke
Auslandsaufenthalte
Noch keine
Alter bei Eintritt in das Graduiertenkolleg
26
9
Stipendiat: Wolfram Brüchert
Entwicklung einer online-Kopplung der Gelelektrophorese (GE) mit der induktiv
gekoppelten Plasma-Massenspektrometrie (ICP-MS)
Betreuer: PD Dr. Jörg Bettmer
Ausgangspunkt für die im Rahmen dieser Dissertation durchgeführten Arbeiten war die Frage, ob es möglich ist, die Gelelektrophorese (GE) in einem Online-Verfahren an die induktiv
gekoppelte Plasma-Massenspektrometrie (ICP-MS) zu koppeln. Diese Frage kann hergeleitet werden aus der Tatsache, dass diese Online-Kopplungen (hyphenated techniques) für
alle etablierten Trenntechniken, beispielsweise der HPLC, bereits verwirklicht wurde und
substanzielle wissenschaftliche Arbeit mit diesen durchgeführt werden kann. Nur die bioanalytisch bedeutsamste Trenntechnik, die GE, steht außerhalb dieser Methodologie, da sie bislang nur über den umständlichen Umweg der Laserablation mit der ICP-MS in eine apparative Verbindung gebracht wurde. Zu demonstrieren, dass dieser Mangel behoben werden
kann, war ein Hauptanliegen dieser Arbeiten.
Hierzu wurde zunächst die allgemeine Konzeption einer GE-ICP-MS entwickelt, welche auf
der kontinuierlichen Elution der Analyten aus dem Gel während der laufenden Elektrophorese beruht. Die genaue apparative Verwirklichung ist in Abbildung 1 graphisch dargestellt.
Kathode
Kathodenpuffer
-
Hochspannungsgenerator
+
Probe
Gel
ICP-SFMS
Anodenpuffer
Anode
Elutionspuffer
Elutionsfritte
Elutionspufferfluss
Dialysemembran
Pufferfritte
Abb. 1: GE-ICP-MS-Kopplung
Das Kernstück der Gelelektrophorese ist das Gel, welches im Unterschied zur klassischen
Gelelektrophorese nicht in Form einer Platte eingesetzt wird, sondern sich als Rundgel in
einem Glasröhrchen befindet. Dies hat zur Folge, dass ein derartig präpariertes Gel praktisch
wie eine Trennsäule in der Chromatographie verwendet werden kann und hinsichtlich der
Handhabung sowie der Eignung zur Online-Kopplung verbesserte Eigenschaften zeigt.
10
Das Gel wird in dem Glasröhrchen, dessen Dimensionen bezüglich der Länge und des Innendurchmessers variabel sind, hergestellt. Das obere Ende des Gels befindet sich in direktem Kontakt zum Kathodenpuffer (0,05 mol.L-1 Ammoniumacetat, pH = 8,0), worin die Kathode aus Platin eintaucht. Hier ist zu erwähnen, dass die Polarisierung der Elektroden je nach
Applikation natürlich umgekehrt werden kann.
Am unteren Ende des Gels befindet sich eine großporige Fritte, welche kontinuierlich mit
dem Elutionspuffer (0,05 mol.L-1 Ammoniumacetat, pH = 8,0, 10 8g.L-1 Rh als interner Standard) durchströmt wird, wodurch alle aus dem Gel heraustretenden Moleküle direkt in das
Zerstäubersystem des ICP-MS transportiert werden. Der Elutionsbereich ist vom Anodenpuffer durch eine Dialysemembran getrennt, welche verhindern soll, dass die zu analysierenden
Makromoleküle in den Anodenraum wandern. Die kleinen Elektrolytmoleküle können diese
Membran jedoch ungehindert passieren (cut-off: 3000 Da), so dass ein stabiler Stromfluss
gewährleistet ist. Bereits erste Vorversuche haben jedoch gezeigt, dass selbst kleinere Moleküle, wie Phosphat oder Iodid, welche aus dem Gel herauswandern, durch den Elutionspuffer aufgenommen werden und mit der ICP-MS detektiert werden können. Dieser Umstand kann natürlich zur Elementspeziesanalyse genutzt werden, wie weiter unten noch ausgeführt werden wird.
Die Probe wird direkt auf die obere Fritte aufgetragen. Prinzipiell können die Gelmedien verwendet werden, welche auch bei der klassischen Gelelektrophorese zum Einsatz kommen,
also Agarose oder Polyacrylamid.
Anhand verschiedener Testsubstanzen konnte demonstriert werden, dass mit der GE-ICPMS prinzipiell analytisch verwertbare Signale erhalten werden können und dieses durchaus
vergleichbar mit flüssigchromatographischen Kopplungsmethoden. Anhand eines DNAStandards wurde die entwickelte GE-ICP-MS systematisch untersucht. In Abbildung 2 ist ein
repräsentatives Trennergebnis exemplarisch dargestellt. Es wurden die verschiedenen Einflussfaktoren, welche für eine effektive Trennung verantwortlich sind, identifiziert, die Trennleistung optimiert und verifiziert, Reproduzierbarkeiten evaluiert sowie Empfindlichkeit und
Nachweisgrenze bestimmt. Aus diesen Untersuchungen ging hervor, dass die GE-ICP-MS
durchaus den strengen Qualitätskriterien einer hyphenated technique genügen und sinnvoll
in deren Methodologie eingefügt werden kann.
0,2
0,1
0,0
0
20
40
Zeit [min]
60
800bp
900bp
1000bp
700bp
600bp
300bp
400bp
100bp
150bp
200bp
0,3
Phosphat & Nukleotide
0,4
31
Rel. Intensität P
+
0,5
500bp
0,6
80
Abb. 2: Elektropherogramm eines DNA-Standards (100-1000 Basenpaare bp)
(Agarose 2,2 %; 40 x 2 mm; U = 200 V; 2 8L Injektion)
Insgesamt konnte das Potential der GE-ICP-MS auch für die dringend notwendige quantitative Bestimmung von DNA-Fragmenten und weiteren Biopolymeren demonstriert werden. Die
ICP-MS bietet mitunter ideale Voraussetzungen für die Quantifizierung von biologisch relevanten Verbindungen, sie muss nur auch dementsprechend eingesetzt werden. In der Kombination mit der GE besteht zudem die Möglichkeit, Mischungen aus Makromolekülen ohne
11
zeitaufwändige und kontaminations-gefährdete Aufarbeitungsschritte direkt mit der ICP-MS
zu analysieren..
Das gegebene Beispiel für die Trennung von DNA-Fragmenten verdeutlicht auch das Potential der entwickelten Methode für die Elementspeziesanalytik biologisch relevanter Makromoleküle. Dabei ist zu denken an die Quantifizierung des Metallgehalts von Metalloproteinen,
der Bestimmung des Phosphorylierungsgrades von Phosphoproteinen oder der Untersuchung von DNA-Metall-Wechselwirkungen.
Aus analytischer Sicht eignen sich hierfür Cisplatin-DNA-Addukte sehr gut, um die Leistungsfähigkeit einer Methode innerhalb der hyphenated techniques voll unter Beweis zu stellen.
Daher wurde eine Oligonukleotid mit Cisplatin inkubiert und die Reaktionsprodukte mit der
GE-ICP-MS untersucht. Zwei dominante Cisplatin-Addukte konnten gefunden werden, was in
Abbildung 3 zu sehen ist.
2,0
6
+
P
+
Pt
1,5
195
1,0
3
2
0,5
Rel. Intensität
31
Rel. Intensität P
+
4
+
5
Pt
31
195
1
0,0
0
10
20
30
Zeit [min]
40
50
0
60
Abb. 3 Elektropherogramm verschiedener Cisplatin-Oligonukleotid-Fragmente
(Agarose 4,0 %, 40 x 2 mm; U = 150 V; 2 8L Injektion)
Zur Identifizierung dieser beiden Addukte wurden zunächst mit der GE-ICP-MS verschiedene
Experimente angestellt, unter anderem eine kinetische Analyse, woraus später die Bestimmung von Geschwindigkeitskonstanten für die Bildung bestimmter Addukte hervorging. Da
hiermit jedoch keine eindeutige Identifizierung möglich war, wurde ein weiterer Bestandteil
der modernen hyphenated techniques in die Methodik mit einbezogen: die MALDI-TOF-MS.
Mittels dieser war es ein leichtes, die Addukte eindeutig zu identifizieren, was unter anderem
in der Form einer Offline-GE-MALDI-TOF-MS geschah.
Um die Möglichkeiten der entwickelten Methode für die Analytik von niedermolekularen Elementspezies zu verdeutlichen, ist in Abbildung 4 das Elektropherogramm der Messung einer
gemischten Halogen-Standard-Lösung dargestellt. Die Möglichkeit, ionische Iodspezies zu
analysieren, wurde im Rahmen dieses Projektes bis hin zur Quantifizierung von verschieden
Realproben mittels der spezies-spezifischen Isotopenverdünnungsanalyse optimiert.
12
1,0
0,9
79
0,8
127
Br
I
IO3
-
Rel. Intensität
0,7
I
0,6
-
0,5
0,4
0,3
-
BrO3
-
Br
0,2
0,1
0,0
0
2
4
6
8
Zeit [min]
10
12
14
Abb. 4 Elektropherogramm einer gemischten Halogen-Standardlösung
(Agarose 2,0 %, 60 x 2,2 mm; U = 350 V; 2 8L Injektion)
Stand der Promotion
Die experimentellen Arbeiten im Rahmen dieser Promotion wurden zum Ende des Jahres
2006 abgeschlossen und in der Dissertation mit dem Titel „Entwicklung einer OnlineKopplung der Gelelektrophorese mit der induktiv gekoppelten Plasma-Massenspektrometrie
und deren Anwendung in der Bioanalytik“ zusammengefasst, welche Ende Februar zur Begutachtung eingereicht wurde. Die mündliche Prüfung im Rahmen der Promotion findet voraussichtlich am 10. April 2007 statt.
Dauer der Promotion
Beginn der Promotion: 01. Juli 2003
Voraussichtliches Ende der Promotion: April 2007
An das Graduiertenkolleg assoziiert: 01. Juli 2003 – 30. September 2005
Durch das Graduiertenkolleg gefördert: Seit 01. Oktober 2005
Veröffentlichungen
J. Bettmer und W. Brüchert:
Proteinanalytik einmal anders – ICP-MS als Untersuchungsmethode
Nach. Chem. 7 (2002) 846
W. Brüchert und J. Bettmer
On-line Coupling of Gel Electrophoresis and Inductively Coupled Plasma-Sector Field-Mass
Spectrometry for the Determination of dsDNA Fragments
Anal. Chem. 77 (2005) 5072
A. Helfrich, W. Brüchert und J. Bettmer
Size Characterisation of Au Nanoparticles by ICP-MS Coupling Techniques
J. Anal. At. Spectrom. 21 (2006) 431
13
DNA Quantification Approach by GE-ICP-SFMS and Complementary Total Phosphorus Determination by ICP-SFMS
J. Anal. At. Spectrom. 21 (2006) 1271
W. Brüchert, A. Helfrich, N. Zinn, T. Klimach, M. Breckheimer, H. Chen, S. Lai, T. Hoffmann
und J. Bettmer
Gel Electrophoresis (GE) Coupled to Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry (ICPMS) Using Species-Specific Isotope Dilution for Iodine Speciation in Aerosols
Anal. Chem. 79 (2007) 1714
W. Brüchert, R. Krüger, A. Tholey, M. Montes-Bayón, J. Bettmer
Gel Electrophoresis Coupled to ICP-MS and MALDI-MS for the Studies of CisplatinOligonucleotide Adducts
In Vorbereitung
Vorträge
W. Brüchert
Characterisation of metallothioneins using HPLC/ICP-MS coupling techniques
Jahresseminar Graduiertenkolleg „Spurenanalytik von Elementspezies: Methodenentwicklungen und Anwendungen“ 16./17. Oktober 2003, Bad Münster
W. Brüchert
Die Online-Kopplung der Gelelektrophorese mit der ICP-MS: Eine neue Methode auch für
Metalloproteine?
Jahresseminar Graduiertenkolleg „Spurenanalytik von Elementspezies: Methodenentwicklungen und Anwendungen“ 04./05. November 2004, Bad Münster
Die online-Kopplung der Gelelektrophorese mit der ICP-MS – Methodenentwicklung und erste Anwendungen
15. Doktoranden-Seminar Arbeitskreis „Separation Science“ der GDCh 09.-11. Januar 2005,
Kloster Banz
(Preis für den besten Vortag)
Die Gelelektrophorese (GE) gekoppelt mit der induktiv gekoppelten
Massenspektrometrie (ICP-MS): Warum nicht on-line?
ANAKON 15.-18. März 2005, Regensburg
(Eingeladener Vortrag des Arbeitskreises „Separation Science“ der GDCh)
Plasma-
W. Brüchert, A. Helfrich und J. Bettmer
Gelelektrophorese (GE) online mit der induktiv gekoppelten Plasma-Massenspektrometrie
(ICP-MS) – ein neues Werkzeug für die Bioanalytik
39. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Massenspektrometrie (DGMS) 05.-08.
März 2006, Mainz
W. Brüchert
Gel electrophoresis coupled to ICP-MS – a new tool for elemental speciation
Arbeitsgruppen-Seminar Prof. D. Günther, ETH Zürich 11. April 2006, Zürich (Schweiz)
(Eingeladener Vortrag)
14
W. Brüchert
Gel electrophoresis coupled to ICP-MS – a new tool for elemental speciation
Jahresseminar Graduiertenkolleg „Spurenanalytik von Elementspezies:
entwicklungen und Anwendungen“ 25.-27. Juni 2006, Bad Münster
Methoden-
W. Brüchert
Gel electrophoresis coupled to ICP-MS – a new tool for bioanalytical chemistry
Arbeitsgruppen-Seminar Abteilung Proteomik, ISAS, 21. September 2006, Dortmund
W. Brüchert
Gel electrophoresis hyphenated to mass spectrometry – a new bioanalytical method
Arbeitsgruppen-Seminar Prof. R. Zenobi, ETH Zürich, 20. Dezember 2006, Zürich (Schweiz)
Posterbeiträge
Charakterisierung von Metallothioneinen in natürlichen Organproben mit HPLC/ICP-MSKopplungstechniken
18. ICP-MS Anwendertreffen 06.-09. Oktober 2003, Berlin
19. ICP-MS Anwendertreffen 01.-03. September 2004, Zürich
(1. Posterpreis)
The Online Coupling of Gel Electrophoresis with ICP-MS – Method Development and first
Applications
European Winter Conference on Plasma Spectrochemistry 30. Januar - 03. Februar 2005,
Budapest
(Posterpreis der Veranstalter)
Synthesis, Separation and Quantification of Gold-Nanoparticles using ICP-MS Hyphenation
Techniques
European Winter Conference on Plasma Spectrochemistry 30. Januar - 03. Februar 2005,
Budapest
(1. Posterpreis)
ANAKON 15.-18. März 2005, Regensburg
Síntesis de nanopartículas de oro y plata y su separación por HPLC-ICP-MS y Electroforesis
en Gel-ICP-MS
Jornadas de Análisis Instrumental 15.-17 November 2005, Barcelona, Spanien
15
W. Brüchert, A. Helfrich und J. Bettmer
Acoplamiento en-línea de la electroforesis en gel con ICP-MS: una herramienta nueva en la
fosfoproteómica y el análisis del ADN
Jornadas de Análisis Instrumental 15.-17 November 2005, Barcelona, Spanien
(Posterpreis)
The potential of gel electrophoresis coupled to ICP-SFMS in phosphorous speciation
European Winter Conference on Plasma Spectrochemistry 8.-14. Januar 2006, Tucson, USA
(Posterpreis)
Metallic Nanoparticles and their Bioconjugates: Characterisation by ICP-MS Hyphenated
Techniques
Winter Conference on Plasma Spectrochemistry 08.-14. Januar 2006, Tucson (USA)
Komplementäre Charakterisierung von Gold- und Silbernanopartikeln mittels ICP-MS und
ESI-MS
März 2006, Mainz
S. Lai, H. Chen, T. Hoffmann, J. Heilmann, W. Brüchert, A. Helfrich, N. Zinn und J. Bettmer
Determination of iodide and iodate in the marine aerosol by inductively coupled plasma mass
spectrometry (ICP-MS)
März 2006, Mainz
The potential of gel electrophoresis coupled to ICP-SFMS in elemental speciation
6. ISSEBETS 21.-25. Juni 2006, Bialowieza (Polen)
J. Bettmer, W. Brüchert, R. Krüger, M. Montes-Bayón
Gel Electrophoresis Coupled to Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry (GE-ICPMS) Applied to Studies on Conjugates of Cis-Platin and Oligonucleotides
III. Meeting of the Spanish Society for Mass Spectrometry 26.-29. September 2006, Oviedo,
Spanien
(Posterpreis)
W. Brüchert, R. Krüger, M. Montes-Bayón, J. Bettmer
The Potential of Gel Electrophoresis Coupled to ICP-MS for the Determination of CisplatinOligonucleotide Adducts
European Winter Conference on Plasma Spectrochemistry 18.-23. Februar 2007, Taormina,
Italien
Kooperationen innerhalb des Graduiertenkollegs
Da das im Rahmen dieses Projektes entwickelte System a priori als Methode zur Analyse
von Elementspezies angesehen werden kann, konnte es dem Graduiertenkolleg als solche
zur Verfügung gestellt werden. Besonders zu erwähnen ist die Kooperation mit dem Arbeitskreis von Herrn Prof. Hoffmann bezüglich der Iodspeziation in Aerosolen (GRK-Stipendiaten
Hongwei Chen und Senchao Lai), aus welcher bis zum jetzigen Zeitpunkt eine Veröffentlichung sowie mehrere Konferenzbeiträge hervorgegangen sind.
16
26. - 30. Juli 2004, "Analytische Qualitätskontrolle“, Prof. Dr. Wolfhard Wegscheider, Montanuniversität Leoben, Österreich
28. August – 01. September „Trace Analysis of Elemental Species: Metallomics and Metalloproteomics“, Prof. Dr. Ryszard Lobinski, CNRS Pau, Frankreich
Betreuer: PD Dr. Jörg Bettmer
Weitere Betreuer: Prof. Klaus Heumann
26 (Assoziierter) bzw. 29 (Vollmitglied)
17
Stipendiat: Zuzaan Damdinsuren
Spatially resolved speciation of heavy metals in soil samples using X-ray spectroscopy ($-XAFS)
The toxic and carcinogenic metalloid arsenic has caused major concern over the past few
decades. Numerous water resources are affected or at least at risk, particularly in India and
Bangladesh, but also in Taiwan, China, Mongolia, Chile, Argentina, Bolivia, Mexico, and the
USA (Alaerts & Khouri, 2004; Tien et al., 2004). Due to the serious health impacts of arsenic,
the World Health Organization (WHO) advised a boundary value of 10 8g/l for drinking water
in 1984, which has become statutory in many countries.
Activated carbon (AC) loaded with zirconium (Zr-AC) has been found to be a very effective
sorbent of As(V). The As load can readily be desorbed from the Zr-AC using alkaline (NaOH)
solutions. This makes it a promising material for remediation of arsenic contamination.
The fast and extensive sorption over a wide pH range indicates that neutral as well as anionic species are sorbed (Peräniemi et al., 1994; Yusof et al., 2004). Experiments including
other sorbents (especially AC without Zr) and other trace elements (Se, Hg) have provided
some indications of a specific binding mechanism between the zirconium and the arsenate
compounds. Further studies with different sorbents and different arsenic species have shown
that Zr-AC adsorbs As(V) much faster than As(III) (Daus et al., 2004). The trivalent species
showed faster adsorption to pure AC than to any other sorbent. The sorption kinetics indicated that the determining factor might be the oxidation of As(III) to As(V), which is catalyzed
by AC. This assumption is supported by the fact that during the reaction in an oxygen-free
glovebox a rising concentration of As(V) was found only in the presence of AC. The aim of
our research work was to explore the binding mechanism of As on Zr-AC, to undertake a
speciation of sorbed arsenic, and thus to elucidate the different behavior of As(V) and As(III).
Zr-AC was prepared from AC with dissolved zirconium dinitrate oxide hydrate
(ZrO(NO3)2·H2O) with a Zr concentration of 17 mg/g (Daus et al., 2004). Three samples were
prepared by sorption of different Arsenic species, yielding different concentrations of As in
dry matter: As+5 (17.1 mg/g); As+3 (11.8 mg/g); and another As+3 sample that was processed
in an oxygen-free glovebox with only 1.41 mg/g. They were measured as homogeneous
pellets at the DESY, HASYLAB A1 Beamline in transmission mode both at the As K edge
and at the Zr K edge. Reference samples were Zr-AC without As, zirconium dinitrate oxide
hydrate, ` Zr arsenate (Zr(HAsO4)2·H2O), and a Zr arsenate (Zr(AsO4)(H2AsO4)·2H2O). Data
analysis was done with the software Athena 0.8.049 and Artemis 0.8.006 (Ravel & Newville,
2005). The Atoms and FEFF modules integrated in Artemis were used for calculation of theoretical scattering paths. Fitting was done using crystal structure models of Zr dinitrate (Bénard-Rocherullé et al., 1997), ` Zr arsenate (Clearfield & Duax, 1969).
18
Zr arsenate
a Zr arsenate
c Zr arsenate
Zr hydroxide
8 norm. [a.u.]
Zr dinitrate
Zr-AC
5+
Zr-AC + As low c
3+
Zr-AC + As low c
3+
Zr-AC + As high c
5+
Zr-AC + As
17980
18030
high c
18080
energy [eV]
Fig.1 The XANES spectra obtained at the Zr K-edge.
The edge energy E0 is 18009.9 eV in the Zr dinitrate spectrum and 18009.7 eV in all Zr-AC
spectra. Since Zr is known only in the valence state +IV, E0 would only change through major
chemical alterations of Zr bonds, which obviously do not occur in the present case (Gupta &
Nigam, 1974). The shape of all spectra obtained from Zr-AC samples is very similar to that of
the Zr dinitrate spectrum, which indicates that the dodecahedral coordination of O around Zr
did not change significantly during sorption on AC. Only at high As loading the maximum is
slightly broader, indicating some influence of As oxyanions on the coordination, which may
be interpreted in terms of reduced symmetry (Li et al., 1993). None of the spectra contains a
shoulder shape in the absorption edge, which rules out tetrahedral coordination. Linear combination fits of reference XANES spectra showed that the XANES features of Zr dinitrate
dominate the spectra of all Zr-AC samples. Obviously the local Zr coordination of Zr-AC
samples is initially very similar to that of Zr dinitrate, but sorption of As eventually changes
the coordination. This indicates formation of inner-sphere complexes.
The XANES spectra of different As-loaded Zr-AC samples measured at the As K-edge are all
very similar. The edge energy ranges from 11868.65 eV (Zr-AC with As3+, anoxic preparation) to 11869.87 eV (Zr-AC with As5+, high concentration). The white line is a relatively steep
and narrow maximum in all spectra. This indicates that As5+ is the dominant species of all Asbearing samples, even the ones in which As3+ was used.
The As K-edge EXAFS results show a very prominent first shell that is almost identical in all
samples. Fits performed on the Zr arsenate model indicate an O shell with R = 1.68 Å and
N = 4, which is another clear sign of As5+. The signals at higher R are too low to obtain
meaningful fit results with sufficient certainty. This is most likely due to the weak scattering
signal of Zr neighbor atoms measured at the As K-edge, as seen in the results of the reference samples, where N = 3 for the Zr shell. Regarding the results obtained from the Zr Kedge fits, a low coordination number (<1) is expected for the Zr shell in the Zr-AC samples.
Thus the As-Zr path with R = 3.5 Å can not be verified. It should be possible to lower the 2
values by conducting the experiments at very low temperature, which may increase the FT
amplitudes sufficiently to achieve good fit results.
19
Zr arsenate
FT
a Zr arsenate
c Zr arsenate
Zr hydroxide
Zr dinitrate
Zr-AC
5+
Zr-AC + As low c
3+
Zr-AC + As low c
3+
Zr-AC + As high c
5+
Zr-AC + As
0
1
2
3
4
5
high c
6
R+gR [Å]
Fig. 2 EXAFS results obtained at the Zr K-edge (not phase corrected).
FT magnitude plots of the EXAFS results obtained at the Zr K-edge are shown in Figure 2.
The spectra of all reference substances are clearly different from those of the Zr-AC samples. This confirms the finding of the XANES analyses that the reference substances, except
Zr dinitrate, show little similarity to Zr-AC in terms of molecular structure around the Zr atoms.
The Zr dinitrate plot features a prominent first peak with a shoulder on its right side. The plot
of the Zr-AC sample without As shows almost the same shape of the first peak as the Zr dinitrate plot. With increasing As concentration in the Zr-AC samples the fist peak of their FT
plots becomes higher and narrower, its shoulder remains constant, and the second peak appears at lower R with a different shape. In the plot of Zr-AC with high As5+ concentration even
a third peak appears at a higher R position than the original Zr peak. The fit results indicate
that the higher and steeper shape of the first peak with increasing As concentration can be
attributed to increased OH coordination at 2.1 Å and reduced O coordination at 2.2 Å. All ZrAC samples contain nitrogen shells with distances of 2.8 Å and coordination numbers just
below 2, which is very close to the original Zr dinitrate substance. The Zr shell at 3.5 Å, however, is significantly reduced in the Zr-AC samples, showing a coordination number of 0.6
instead of 2.
The Zr EXAFS results indicate that the preparation of Zr-AC breaks up the Zr-(OH)2-Zr
chains of Zr dinitrate, creating free OH groups on the zirconyl cations. These are then available for specific sorption of arsenate groups. Obviously there is a high share of exchangeable protons, which would explain the acid concentration of 0.48 mmol/g derived from the
results of the potentiometric titration. The Zr-As distances determined in the fit with the Zr Kedge EXAFS results, 3.5 Å, suggest binding of arsenate anions to zirconyl cations in a single
corner-sharing (= monodentate mononuclear) arrangement. Obviously this is not a linear arrangement, which would yield a Zr-As distance of 2.1 (Zr-O) + 1.7 (As-O) = 3.8 Å. One zirconyl cation could thus accommodate two arsenate anions, which would explain the high sorption capacity of Zr-AC.
The dominance of As5+ found in all samples confirms the assumption that As3+ is oxidized
prior to sorption, even in an oxygen-free glovebox. This process is apparently catalyzed by
the presence of AC. As3+ itself does not seem to be sorbed onto Zr-AC in significant amounts.
20
These findings show that Zr-AC is a very effective sorbent of aqueous As+5 due to high availability of specific sorption sites on a large surface area. A combination of Zr-AC with AC
seems particularly promising for As+3 cleanup by AC-catalyzed oxidation and subsequent
sorption on Zr-AC. Further details about the sorption behavior could be obtained, e.g., by
conducting sorption experiments using AC with different amounts of Zr and comparing the
sorption of As+5 and As+3, or by analyzing the reaction of dissolved Zr dinitrate with different
As species.
Dauer der Promotion
October 2005
Z. Damdinsuren, G. Schmidt, M. Kersten, B. Daus “Speciation of Zr and As in zirconiumloaded activated carbon: XANES and EXAFS” Poster presentation in Workshop on X-ray absorption spectroscopy and theory of XAS. Feb. 28 – 01 March, 2007, Villigen PSI, Switzerland.
Z. Damdinsuren, G. Schmidt, M. Kersten, B. Daus “XAFS study of Arsenate sorption mechanism by zirconium activated carbon, GRK evaluation, October, 2006
Z. Damdinsuren, G. Schmidt, M. Kersten Poster in International Conference on X-ray Analysis, Ulaanbaatar, Mongolia, Sep 29 - 30, 2006
The research work was realized in cooperation with Dr. Birgit Daus from the Centre for Environmental Research Leipzig-Halle. Zuzaan Damdinsuren closely cooperated with Dr. Gerald
T. Schmidt (former GRK-PhD student) for XAS measurement and data interpretation.
•
•
•
17. - 21.07.2006 Course “Direkte Mineralphasenanalytik und Elementspeziation in
Festkörpern mit Hilfe von Laser-Scanning- und Elektronen-Mikroskopiemethoden sowie der Photoelektronen“ by Prof. Dr. H. Duschner, University of Mainz
Round lectures “Methods of Elementspeciation and Applications ” (SoSe 2006)
Round lectures “Fundamentals of trace analysis under special consideration of separation and detection methods for elemental species” (WS 2005/2006)
ggf. Auslandsaufenthalte
26. – 30.06.2006 Berkeley-Stanford Summer School on Synchrotron Radiation
23. – 24.06.2006 XAS measurement at SLS, Villigen PSI, Switzerland
30
21
Stipendiat: Burkhard Knopf
Methylierung von Quecksilber im Intestinaltrakt des Kompostwurms und Identifizierung der für
die Methylierung verantwortlichen Mikroorganismen
Betreuer: Prof. Dr. Helmut König
In dem globalen, natürlichen Quecksilberzyklus werden jährlich mindestens 60000 Tonnen
Quecksilber bewegt. Zu den natürlichen Quellen von Quecksilber gehören metallische
Lagerstätten (Zinober, HgS) und in beträchtlichen Mengen wird Quecksilber aus tätigen Vulkanen freigesetzt. Mit dem Regen kann dieses zur Erdoberfläche zurückgelangen. Zu den
natürlichen kommen noch die anthropogenen Quellen hinzu. Hier sind vor allem zu nennen:
Verbrennung fossiler Brennstoffe (ca. 5000 t/pro Jahr), Bergbau und Erzverhüttung, Industrieabwässer und Müllverbrennung.
Die hauptsächliche Umwandlung der Quecksilberspezies im biogeochemischen Quecksilberkreislauf wird durch Bakterien katalysiert (Abb.1). Das Hauptaugenmerk liegt dabei auf
der Methylierung von anorganischem Quecksilber zu Methylquecksilber, da alkylierte Quecksilberspezies um das 100-fache toxischer auf den Menschen wirken. Besonders detaillierte
Untersuchungen zur Methylierung von Quecksilberspezies und der Akkumulation im Gewebe
wurden bisher im aquatischen Lebensraum angestellt. Dort wird die Methylierung von
Quecksilber hauptsächlich von sulfatreduzierenden Bakterien (SRB) durchgeführt, die in den
anaeroben Sedimentschichten vorkommen.
Atmosphäre
Hg2+
h*v
Oxidation
Hg
CH3Hg+
h*v
Hg0
(CH3)2Hg
Demethylierung
Methylierung
Reduktion
Reduktion
Methylierung
Hg2+
Methylierung
Methylierung
CH3Hg+
(CH3)2Hg
Demethylierung
Demethylierung
Wasser
Hg0
Reduktion
Hg2
+
HgS
Methylierung
Methylierung
CH3Hg+
(CH3)2Hg
Demethylierung
Demethylierung
Reduktion
Boden
Reduktion
Fixierung
Hg
CH3Hg
Demethylierung
Hg0
oxidative
Remobilisierung
+
Hg
Fixierung
Remobilisierung
2+
Atmosphäre
(CH3)2Hg
0
Hg0
Sediment
Abb.1: Biogeochemischer Kreislauf von Hg
Auch im Intestinaltrakt von Vertebraten und Invertebraten kommen sulfatreduzierende Bakterien als Methylquecksilberproduzenten vor. Wird durch die Nahrung anorganisches Quecksilber aufgenommen, können die im Intestinaltrakt vorkommenden Bakterien dieses methylieren und somit das toxischere Methylquecksilber bilden. Dieses wird von dem Gewebe
akkumuliert und kann zu einer Intoxifikation des Organismus führen.
22
Der terrestrische Kreislauf von Quecksilber ist bisher kaum untersucht worden. Würmer sind
für die Verwertung von organischem Material im Boden von großer Bedeutung. Ein Ziel dieser Arbeit ist es die in vivo Quecksilbermethylierung durch den einheimischen Anneliden
Eisenia foetida und gleichzeitig auch die Akkumulation des gebildeten Methylquecksilbers
nachzuweisen. Von großem Interesse ist dabei die natürliche Darmflora des Wurms und die
für die Methylierung verantwortlichen Mikroorganismen (Abb.2). Wie in Abbildung 2 zu erkennen ist, kann der Intestinaltrakt des Wurms in verschiedene Regionen eingeteilt werden. In
jeder Region ist eine unterschiedliche Verteilung an aeroben und anareoben Mikroorganismen vorhanden. Aus diesem Grund soll untersucht werden, in welchen Regionen hauptsächlich Methylquecksilber akkumuliert wird.
Abb.2 Schematische Darstellung eines Regenwurms mit den verschiedenen Regionen des Intestinaltraktes
Die Extraktion von Methylquecksilber aus dem Wurmgewebe erfolgt durch eine auf die Matrix angepasste Extraktionslösung. Bei der Auswahl einer Methode muss vor allem darauf
geachtet werden, dass kein artifizielles Methylquecksilber gebildet wird. Dies ist aufgrund der
hohen Konzentrationen an anorganischem Quecksilber im Probenmaterial zu berücksichtigen. Das Methylquecksilber wird mittels saurer Phasenextraktion mit CuSO4 und KBr/H2SO4
aus der Probe extrahiert. Durch die Extraktion in ein organisches Lösungsmittel (Dichlormethan, Hexan, Toluol) kann der überwiegende Teil des anorganischen Quecksilbers von
der Probe abgetrennt werden. Nach einer Rückextraktion in bidest. Wasser werden die
Quecksilberspezies nach Einstellung des pH-Werts auf 4,7 mittels Natriumtetrapropylborat
propyliert und können dann mit verschiedenen analytischen Methoden aufgetrennt und detektiert werden.
Ein Nachweis von Methylquecksilber erfolgt mit der Gaschromatographie- Atomfluoreszenzspektrometrie (GC-AFS). Dabei werden die propylierten Quecksilberspezies mittels der
Purge and Trap Methode aufkonzentriert und können anschließend über GC aufgetrennt
werden. Für die Auftrennung wird eine Kapillarsäule mit einer Filmdicke von 5 8m aus 5%
Phenyl- 95% Methyl-Polysiloxan verwendet. Über ein Temperaturprogramm werden die verschiedenen Quecksilberspezies aus der Kapillarsäule ausgetrieben und anschließend bei
830 °C zu Hg0 pyrolysiert. Die Detektion erfolgt dann in dem Atomfluoreszenzdetektor und
die anschließende Auswertung der Chromatogramme mit der Software Turbochrom.
Bei ersten Messungen des Wurmgewebes konnte eine Methylierung von anorganischem
Quecksilber nachgewiesen werden (Abb.3). Eine Quantifizierung der Methylquecksilbermenge ergab durch die Standardadditions-Methode mit Ethylquecksilber als internen Standard eine Konzentration von 80-120 ng Methylquecksilber pro g getrocknetes Wurmgewebe
(Abbildung nicht gezeigt).
23
Intensität [mVs]
MeHg+
Hg2+
0
2
4
6
Zeit [min]
Eisenia foetida Probe
Abb.3: Cochromatogramm einer Eisenia foetida Probe
Eisenia foetida Probe mit Zugabe an MeHgCl
Als weitere Methode zur Bestimmung von Methylquecksilber im Wurmgewebe wird die
SPME (Solid Phase Micro Extraktion) angewendet. Dabei werden leicht flüchtige Quecksilberspezies über geeignete Extraktionsfasern angereichert und mittels GC-ICP-MS detektiert.
Ähnlich wie bei der GC-AFS werden die Quecksilberspezies durch Zugabe von Natriumtetrapropylborat propyliert und somit leichter flüchtig gemacht. Der Vorteil dieser Methode
liegt in der niedrigeren Nachweisgrenze. Erste Untersuchungen mit Quecksilberstandards
zeigten noch bei 0,1 pg Gesamtquecksilberkonzentration in der Lösung einen auswertbaren
Peak.
Zuerst wurden drei verschiedene Fasern untersucht, um die empfindlichste für den Nachweis
von Methylquecksilber zu bestimmen. Bei diesen handelt es sich um die Fasern mit den
jeweiligen Beschichtungen: PDMS (Polydimethylsiloxan, 100 8m Filmdicke), Carb/PDMS
(Carboxen/Polydimethylsiloxan, 85 8m Filmdicke, Stable Flex) und PDMS/DVB (Polydimethylsiloxan/Divinylbenzen, 65 8m Filmdicke). Dabei wurde jeweils als Methylquecksilberstandard eine Gesamtmenge von 100 pg/Probenvolumen gewählt. Abbildung 4 zeigt, dass
PDMS am besten geeignet ist. Bei dieser Faser ist das Verhältnis von Hintergrundrauschen
zu den erhaltenen Peaks am besten.
PDMS 100 pg MeHg
100000
Hg0
1000000
Hg2+
Hg0
100000
MeHg+
1000
100
Hg2+
MeHg+
10000
ICPS
ICPS
10000
PDMS/Carboxen 100 pg MeHg
1000
100
10
10
1
1
0
0
200000 400000 600000 800000
Zeit [ms]
24
200000 400000 600000 800000
Zeit [ms]
PDMS/DVB 100 pg MeHg
100000
Hg0
Hg2+
10000
ICPS
MeHg+
1000
100
10
1
0
200000
400000 600000
Zeit [m s]
800000
Abb.4: SPME mit verschiedenen Fasern bei einer absoluten Methylquecksilbermenge (Standards)
von 100 pg
Für weitere Bestimmungen von Methylquecksilber in Wurmgewebe ist es allerdings noch
notwendig die Parameter für eine optimale Extraktion zu bestimmen. Dabei ist sowohl die
Extraktionszeit, das pH - Optimum der Propylierungsreaktion als auch das Verhältnis von
Gasphase zu Flüssigkeitsphase auszutesten.
Beginn der Promotion:
Mai 2006
Angaben zu im Berichtszeitraum entstandenen Publikationen, Kongressbeiträgen etc.:
B. Knopf, H. König, Methylation of mercury in the gut of invertebrates, GRK Evaluation, Oktober 2006
B. Knopf, H. König, Methylation of mercury in the gut of invertebrates, ZFU Meeting, Oktober
2006
Zusammenarbeit mit bzw. Bezug zu anderen Projekten:
Diese Arbeit erfolgt in Kooperation mit dem Institut Anorganische und Analytische Chemie
(AK Bettmer). So wird für die Methylquecksilberbestimmung das online gekoppelte Purge
and Trap GC-AFD System der Arbeitsgruppe nach einer durch Frau Uta Limper (Exstipendiat) durchgeführten Einweisung verwendet.
Weiterhin erfolgt eine Kooperation mit der Arbeitsgruppe Prof. Kersten. Hier wird ebenfalls
die Purge and Trap Methode angewendet, allerdings erfolgt die Detektion der Quecksilberspezies mit der ICP-MS. Für die Quantifizierung wird die Isotopenverdünnungsmethode nach
Prof. Heumann verwendet. In dieser Arbeitsgruppe sind auch noch andere Methoden der
Bestimmung der Quecksilberspezies geplant. Dabei handelt es sich um die SPME-GC-ICPMS und die GC-ICP-MS.
Teilnahme am Studienprogramm:
1) Ringvorlesung SS 2006
2) 18. – 22. September 2006, „ Element Species Determination by LC-ICP-MS
Hyphenated Methods“, durchgeführt von Dr. Ralf Krüger
3) WS 2006/07 Vortrag im Graduiertenseminar, Methylation of mercury in the gut of
Eisenia foetida
25
Betreuung im Graduiertenkolleg:
Prof. Dr. Helmut König
Alter bei Eintritt in das Graduiertenkolleg:
29
26
Assoziierter Doktorand: Daniel Kremer
Bilanzierung des biomethylierbaren Anteils von Hg, Te, Se und Sn in einer Siedlungsabfalldeponie
Organometall(oid)verbindungen sind charakterisiert durch je eine KohlenstoffMetall(oid)bindung pro Molekül. Diese Metall(oid)spezies können in der Umwelt aufgrund
biochemischer Prozesse wie Biomethylierung oder Transalkylierungen entstehen [1, 2]. Auch
anthropogene Einträge in die Umwelt sind bekannt, vor allem Organozinnprodukte finden
hier immer noch Verwendung als Fungizide (Phenylzinnverbindungen), Antifoulingmittel (Butylzinnverbindungen)
oder
sind
Bestandteile
von
Polymerprodukten
(Octylzinn¬verbindungen). Hingegen sind Alkylbleiverbindungen als Antiklopfmittel oder Organoquecksilber als Saatbeize in Deutschland nicht mehr im Gebrauch. In Mülldeponien sind
Organometall(oid)verbindungen, die teils toxischer sind als ihre möglichen anorganischen
Vorgänger, in Deponiegas oder Deponiesickerwasser zu finden. Abhängig vom Alkylierungsgrad der Verbindungen finden sich peralkylierte Spezies im Gas, teilalkylierte und somit ionische Spezies im Sickerwasser. Bislang ist noch nicht geklärt, was die so genannten Precursor der gefunden Organometall(oid)e sind. Zudem ist deren Mobilität im Mehrphasensystem
Mülldeponie ungeklärt. Dies soll im Rahmen dieses Projektes beispielhaft an vier verschiedenen Metall(oid)en mittels stabiler Isotope ermittelt werden. Hierfür sollen auf einen
speziell ausgestatteten Deponieabschnitt der Zentraldeponie Eiterköpfe bei Koblenz je ca.
1000 mg hoch angereicherte Isotope der oben genannten Metall(oid)e (77Se 99.9 %, 117Sn
97.6 %, 125Te 98 %, 202Hg 98.5 %) als flüssige Salzlösungen mittels Infiltrationslanzen eingebracht und der Verlauf der Alkylierung in der Deponie verfolgt und bilanziert werden.
Zur Analytik vorn Organometall(oid)en haben sich die so genannten „hyphenated techniques“ bewährt. Besonders hervorzuheben ist hierbei die Kopplung von Gaschromatographie (GC) mit dem Induktiv gekoppelten Plasma - Massenspektrometrie (ICP-MS). Dabei wird die hohe Trennleistung der kapillaren GC mit der guten Empfindlichkeit des elementspezifischen Detektors ICP-MS verbunden. Zudem ist die Möglichkeit von Isotopenverhältnismessungen gegeben, was die Durchführung von Tracertests mittels stabiler Isotope in der Umwelt überhaupt erst ermöglicht.
Durchführung eines Tracerversuches zur Ermittlung der Verweilzeiten innerhalb der Deponie
Über die Fließwege von Wasser in Mülldeponien existieren nur wenige Literaturdaten. Dies
liegt einerseits an der Komplexität der zu untersuchenden Objekte hinsichtlich der Heterogenität einer Mülldeponie und der daraus resultierenden komplexen Fließregime. Zudem ist
eine zeitliche und vor allem räumlich gut aufgelöste Erfassung des Sickerwassers nicht immer möglich. Andererseits ist eine Zugabe von Tracersubstanzen in eine bereits verfüllte
Deponie oftmals schwierig. Ein weiteres Problem für die Durchführung von Tracerversuchen
im Deponiebereich stellen die zur Verfügung stehenden Tracersubstanzen dar. In der Hydrologie üblich verwendete Farbstoffe wie Uranin oder Rhodamin neigen jedoch stark zur
Sorption an organischem Material, das sowohl in Deponiekörper als auch Sickerwasser
reichlich vorhanden ist. Zudem sind die üblichen photometrischen Bestimmungsmethoden
von Farbstoffen in Sickerwässern kompliziert, da aufgrund der organischen Matrix ein hohes
Backgroundsignal erhalten wird. Idealerweise werden zur Vermeidung der beschriebenen
Probleme Isotopentracerversuche, wie beispielsweise mit deuteriertem Wasser (2H2O),
durchgeführt. Oft liegt jedoch keine Genehmigung an Deponien vor, um Isotopenversuche
auf Deponien durchzuführen. Deuteriertes Wasser ist ein konservativer Tracer, d.h. er
verhält sich, nach ausreichender Mischung mit dem Deponiesickerwasser genauso wie
„normales“ Wasser. Zudem ist die Analytik mittels Massenspektrometrie sehr selektiv und
27
sensitiv. Hierbei werden so genannte U-2H-Werte für Wasserstoff ermittelt, d.h. es wird eine
1
H/2H Isotopen¬verhältnis¬messung durchgeführt, die auf Standardbedingungen normiert
wird. Hierfür gilt folgende Gleichung:
(2H/1H)sample = Isotopenverhätnis in der Probe
(2H/1H)V-SMOW = Isotopenverhätnis in Vienna Standard Mean Ocean Water
Zur Durchführung des Versuches wurden 5L deuteriertes Wasser mit einem Anreicherungsgrad von 99.8 % verwendet und eine Verweilzeit von 30 Tagen ermittelt (Abbildung 1), die in
einer Versuchswiederholung mit 25L 2H20 verifiziert werden soll.
10.5
10
9.5
9
8.5
2
H [‰]
8
7.5
7
6.5
6
5.5
5
4.5
4
10.11.2006
20.11.2006
30.11.2006
10.12.2006
20.12.2006
30.12.2006
09.01.2007
19.01.2007
Abbildung 1: Vermutlicher Durchbruch des Deuteriumtracers nach 30 Tagen
Organometall(oid)verbindungen in Deponiegas
Organometall(oid)e sind thermodynamisch instabile Verbindungen, die jedoch kinetisch stabil
und bei besonders sorgfältigen Probenahmen analysierbar sind. Die hier verwendete Methode der Probenahme mittels Tedlar®-Beuteln stellt kein Problem hinsichtlich der Stabilität der
Verbindungen dar, wenn die Analytik innerhalb von 48 Stunden erfolgt. Der Vorteil dieser
Methode ist die sehr einfache Probenahme mittels eines Unterdruckbehälters (Abbildung 2),
die eine kontaminationsfreie Beprobung direkt am Gasbrunnen ermöglicht
28
Valve
Valve
Gas
Pump
Tedlar bag
Vacuum Chamber
Abbildung 2: Gasprobenahme mittels Unterdruck mit Probenahmeeinrichtung vor Ort (links)
und schematischem Aufbau der Vakuumkammer mit angeschlossener Pumpe (rechts).
Die Analytik der Gasproben erfolgt mittels der eigens aufgebauten CryotrappingCryofocussing (CT-CF) GC-ICP-MS Kopplung, die für die Analytik von Deponiegasen optimiert wurde (Abbildung 2). Diese Methodik hat sich bei der Analytik von flüchtigen Organometall(oid)verbindungen in komplexen Gasmatrices bewährt.
He
ArAr
Neb.
ICP-MS)(+O
(von
He(CF)
o? o?
from
from
ICP-MS
ICP-MS
plus2)O2
3-port valve
NaOH-Cartridge
Sample
He
ICP-MS
Torch
Stainless
steel 1/16“
Edelstahl 1/16’’
6-port valve
Carrier (He)
T-Stück
T-piece
T-piece
GC
Dewars
Silcosteel® 1/16’’
Waste
Cryo-Focussing
Cryo-Trapping
Capillary
Kapillarsäule
Column
Capillary
Column
GC
Abbildung 3: Analytik mittels CT-CF-GC-ICP-MS im Überblick (links) sowie der detaillierte
Aufbau der Transferline zwischen GC und ICP-MS (rechts)
Die Parameter der verwendeten Kopplungstechnik sind in Tabelle 1 aufgeführt.
Tabelle 1: CT-CF-GC-ICP-MS Parameter
Trocknen
NaOH auf silicatischem Träger
CT
-120°C, Silcosteel® 1/16” OD, Länge 1.5m, trapping rate 30 mL min-1
Transfer CT m CF 4 min bei 150°C (Widerstandsheizung)
-196°C, Silcosteel® ID 0.0022“, CF m GC bei 150°C (Widerstandsheizung)
Shimadzu GC 14a, Säule Supelco Equity 1 (30 m x 0,32 mm x 0,25 8m),
Trägergas: He mit 10 ppm Xe 4 mL min-1, 30°C 4 min m 10°C min-1
m 70°C m 20°C min-1 m 200°C, Transferline ICP-MS: Silcosteel® 1/16”
OD 1m
CF
GC
ICP-MS
VG
Elemental
PQ3,
rF-Power
1300
W
Gas: Plasma 14 l min-1, Aux 0.85 L min-1, Neb 1.1 L min-1, O2 5.8 mL min-1
Gemessene Isotope: 13, 77, 82, 118, 120, 121, 125, 126, 130, 199, 202
Peak hopping, dwell time 20ms
29
Neben einiger Hg-, Se- und Te-Spezies sind in Deponiegas vor allem Organozinnspezies in
einem großem Konzentrationsbereich zu finden (Abbildung 4)
10
7
10
6
10
5
10
4
10
3
10
2
120Sn
50 mL Landfill Gas
TTMT
Abundance [cps]
TTiPrT
TTET
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
Peak
Retentionszeit [s] Konzentration in pg/L
Peak 1
77,8
167 ± 8
Peak
2
95,6
60600 ± 3030
(TTMT)
Peak 3
267,4
2640 ± 132
Peak 4
308,6
587 ± 29
Peak 5
337,3
202 ± 10
Peak 6
414,0
1380 ± 69
Peak 7
441,7
417 ± 21
Peak 8
457,3
74 ± 4
Peak 9
480,4
157 ± 8
Peak 10
497,8
24 ± 1
Peak 11
516,3
21 ± 1
Peak 12
521,6
15 ± 1
Peak 13
537,1
13 ± 1
Peak 16
549,3
99 ± 5
Peak 17
555,6
42 ± 2
Peak
18
576,3
147 ± 7
(TTET)
Peak 19
666,0
176 ± 9
Peak
20
731,3
6500 ± 325
(TTiPrT)
retention time [s]
Abbildung 4: Organozinnverbindungen in Deponiegas, Tetra-i-Propylzinn (TTiPrT) zugegeben, Tetramethylzinn (TTMT) und Tetraethylzinn mittels Standard identifiziert
Bestimmung von Organometall(oid)verbindungen in Deponiesickerwasser
Um die wasserlöslichen Verbindungen mittels Gaschromatographie zu bestimmen, müssen
diese ionischen Spezies mittels eines Derivatisierungsreagenz in eine verdampfbare Form
überführt werden. Anschließend erfolgt entweder eine Lösungsmittelextraktion oder Purge
and Trap. Meist werden Natriumtetraethylborat (NaBEt4) sowie Natriumtetrapropylborat
(NaBPr4) zur verwendet. Da im Sickerwasser auch schwerflüchtige Verbindungen enthalten
sind, erfordert dies besondere Voraussetzungen für die Transferline von GC zum ICP-MS,
da eventuelle Kondensation von Analyten nach der Chromatographie vermieden werden sollte. Erreicht wird dies durch zwei so genannte Heizwendel, die vor bzw. im GC eine Aufheizung des Nebulizer-Argons ermöglichen. Abbildung 5 zeigt den schematischen Aufbau der
GC-ICP-MS Kopplung für die Analytik von Sickerwasserextrakten.
GC-Parameters
O2
PerkinElmer GC Autosystem
Ar from Nebulizer
Heat exchange
~9A
coils
Torch
Column CP-SIL 5CB, 30 mx0.32
mm x 0.25 ;m Film 100% PDMS,
Flow-Rate 1.5 mL/min He 6.0
with 10 vpm Xe
T-Prog: 60°C 2 min
300 °C 4 min
Silcosteel® 1/16“
Retention
gap
20°C/min
ICP-MS-Parameters
VG Elemental PlasmaQuad 3
Gas Flows in L min-1: Plasma 14
Auxilliary 1 Nebulizer 1.2
Capillary column
6mL/min O2 added to Nebulizer
Isotopes monitored: 13, 77, 82,
118, 120, 125, 126, 128, 200, 202
GC
Abbildung 5: Aufbau der GC-ICP-MS Kopplung für Sickerwasseranalytik
30
Die folgende Abbildung zeigt die Aufarbeitung einer Sickerwasserprobe mit anschließender
Derivatisierung mit NaBPr4.
50 mL sample
+ 6 mL anti foam emulsion (1:100 in H2O)
+ 10 mL acetic acid buffer pH 4.5
+ adjust to pH 4.5 with glacial acetic acid
+ 2 mL Hexane
+ 50 FL internal standard (TTiPrT)
2 mL NaPr4B (2% in H2O)
Vigorously shaking for 15 min
+ 6mL MeOH
+ ultrasonic bath for 10 min
+ cleanup with AlOx 3%deact.
+ concentration under Ar stream
1 FL injection for GC-ICP-MS
Abbildung 6: Aufarbeitung von Deponiesickerwasser zur Analytik mittels GC-ICP-MS
Die Verwendung von NaBPr4 hat sich dabei bewährt, da eventuelle Ethylzinnverbindungen in
Sickerwasser ermittelt werden können (Abbildung 5).
Sn
a)
TTiPrT
1E7
120Sn
1000000
MBT
DBT
TTiPrT
MMT
TMT
DMT
10000
DOT
?
TBT
DMT
100000
?
?
TET ?
10000
DET ?
TMT
100000
MMT
MET?
1000000
intnsity (cps)
TTET
b)
118Sn
120Sn
?
?
?
?
1000
?
1000
100
100
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
0
retention time (s)
200
400
600
retention time (s)
Abbildung 7: Vergleich von Organozinnverbindungen Deponiesickerwasser mittels a) NaBPr4
und b) NaBEt4 (Trimethylzinn [TMT], Dimethylzinn [DMT], Monomethylzinn [MMT], Triethylzinn [TET], Diethylzinn [DET], Monoethylzinn [MET], Tributylzinn [TBT], Dibutylzinn [DBT],
Monobutylzinn [MBT], Dioctylzinn [DOT])
Ein Vergleich der verwendeten Probenaufarbeitung mit anderen Methoden zeigte die Überlegenheit der verwendeten Methode. Bei Extraktion mittels 25 % Tetramethylammoniumhydroxid (15 mL TMAH, 2h) vor der Derivatisierung oder eine Kaliumhydroxid-Extraktion (6
mL KOH in MeOH, 19h) zeigten deutlich geringere Ausbeuten im Vergleich zur verwendeten
Essigsäure-Extraktion. So wird Monomethylzinn mittels TMAH nur zu 37%, bei der KOHMethode nur zu 1‰ extrahiert. Zumindest bei der KOH-Methode spielt das fehlende heftige
schütteln bei der Derivatisierung eine große Rolle, da die Derivatisierung für 6h in Hexan auf
einem Schüttler erfolgt, die beiden anderen Methoden erfolgt das Schütteln für 5 Minuten per
Hand.
31
800
Stand der Promotion
Beginn der Promotion im Mai 2003. Förderung im Gradiertenkolleg von Mai 2003 bis Februar
2005. Voraussichtlicher Abschluss der Promotion 2007.
D: Kremer, G. Ilgen (2003) Halbautomatisches Trapsystem zur Analytik flüchtiger Organometallverbindungen in Deponiegas, 6. Symposium Massenspektrometrische Verfahren der Elementspurenanalyse zusammen mit dem 18. ICP-MS Anwendertreffen ICP-MS, 6. - 9. Oktober, Berlin (Poster)
D: Kremer, M. Kersten (2004) Speziesabhängige Mobilisierungspfade von Schwermetallen in
einer Siedlungsabfalldeponie, A.M.S.El. - Workshop, 7. - 8. Juni, Bremerhaven (Vortrag)
D. Kremer, G. Ilgen (2004) Analysis of volatile organotin compounds in landfill gas by GCICP-MS, Third International Conference on Trace Element Speciation in Biomedical, Nutritional and Environmental Sciences, 10. - 13. Mai 2004, Neuherberg (Poster).
D. Kremer, S. Mitra, J. Feldmann (2005) Identification of organotin compounds in landfill gas
by GC-ICP-MS. 2005 Winter Conference on Plasma Spectrochemistry, 30 Januar 3 Februar, Budapest, Ungarn (Poster)
Kremer D, Kersten M (2006): Determination of organometal(loid) compounds in landfill gas
and landfill leachate by GC-ICP-MS. 34th International Symposium on Environmental Analytical Chemistry June 4-8, 2006, Hamburg (Vortrag).
Kremer D, Kersten M (2006): Speciation of Organotin Compounds in Landfill Gas and Landfill Leachate by Hyphenation of GC with ICP-MS. 7th International Conference on Environmental and Biological Aspects of Main-Group Organometallics, 10-12 Oktober 2006, Heraklion, Griechenland (Vortrag).
A.Soldati, D. Kremer, W. Baumann (in preparation): Sample preparation for studies of trace
element speciation in the organic matrix of aragonitic biominerals: Cypraea tigris shells
Innerhalb der Arbeitsgruppe besteht ein enger Kontakt mit dem Stipendiaten Herrn Peitzsch
hinsichtlich der Analytik von Metall(oid)spezies in verschiedenen Matrices mittels ICP-MS
Kopplungstechniken. So werden mit der im AK Kersten etablierten CT-CF-GC-ICP-MS Kopplung flüchtige Metall(oid)spezies analysiert. Zudem werden mit der ebenfalls vorhandenen
HPLC-ICP-MS Kopplung mögliche ionische und gut wasserlösliche Metall(oid)spezies analysiert werden. Für Frau Bartusseck wurden eine SPME-Methode zur Messung flüchtiger SeVerbindungen entwickelt.
Für Herrn Knopf vom Arbeitskreis König wurde eine Purge and Trap GC-ICP-MS Kopplung
sowie eine SPME GC-ICP-MS Methodik zur Analytik von Methylquecksilber aus dem Intestinaltrakt eines Regenwurmes entwickelt, die noch validiert werden muss.
1) ”Numerical methods of speciation modelling”, Dr. Hoffmann, SS 2003
2.) ”Laboratory course on elemental speciation by hyphenated techniques”, Prof Heumann
und Dr. Bettmer, WS 2003/2004.
32
3.) ”Microbiological practices“ von Prof König, WS 2003/2004
4) „Analytische Qualitätskontrolle“, von Prof. Dr. Wolfhard Wegscheider, Montanuniversität
Leoben, Österreich, SS2004
5) „Bodenminerale und ihre Interaktion mit Spurenelementen“ Einwöchiger Kurs von Prof.
Kersten im Rahmen des Graduiertenkollegs zusammen mit externen Referenten (Prof. Stanjek, RWTH Aachen; Dr. Schäfer, FZ Karlsruhe) abgehalten.
Betreuer: Prof. Michael Kersten
Weitere Betreuer: Prof. K.G. Heumann (Anorganische & Analytische Chemie), Prof. König
(Mikrobiologie und Weinforschung)
Identifizierung von Organozinnverbindungen in Deponiegas an der University of Aberdeen 4
Wochen im September 2004.
27
ggf. Beschäftigung nach Ausscheiden aus dem Kolleg
von 01.05.2003 – 31.01.2005 Stipendiat des Graduiertenkollegs
seit 01.02.2005 assoziierter Doktorand des Graduiertenkollegs.
33
Stipendiat: Mirko Peitzsch
Mikrobielle Metabolisierung bioverfügbarer Metall(oid)e aus der Bodenmatrix in Abhängigkeit
des vorliegenden Bodensubstrates (Microbial metabolisation of bioavailable metal(oid)es from
soil subjected to the present soil substrate)
Im Rahmen dieser Arbeit werden isotopengeochemische Untersuchungen zur Metabolisierung bzw. Alkylierung bioverfügbarer Metall(oid)e am Beispiel von Selen in sogenannten
Mikrokosmensystemen durchgeführt. Dabei werden zunächst einzelne Bodenmineralsorbenten (Eisenoxide (Goethit), Tonminerale (Bentonit), Huminstoffe (Humin- und Fulvosäure) mit
anorganischen Selenspezies (Selenat Se(VI)O42-, Selenit Se(IV)O32-) mittels einfacher Adsorptionsexperimente beladen und anschließend der mikrobiellen Metabolisierung
zugänglich gemacht. Zur Metabolisierung der zur Verfügung stehenden Selenspezies werden aus der Literatur bekannte Pilze (Alternaria alternata) und andere Mikroorganismen
eingesetzt.
A. alternata gehört zur Gattung Alternaria und ist ein Vertreter der Schwärzepilze (Dematiaceae). A. alternata kommt bevorzugt in Sumpfgebieten, im Wald und in Gärten vor, wo er
bevorzugt auf Pflanzen bzw. Laub wächst. Thompson-Eagle et al (Appl Environ Microbiol,
Vol 55, No 6, p. 1406-1413, 1989) isolierten und identifizierten A. alternata als einen sehr
aktiven Selen methylierenden Organismus, was durch die Produktion von Dimethylselenid
(DMSe) unter verschiedenen Versuchsbedingungen gezeigt wurde.
Aufgrund dessen wurden zunächst Inkubationsversuche mit A. alternata durchgeführt. Dabei
wurde der Pilz in einem komplexen Malz-Extrakt-Medium (20 g Malz-Extrakt, 20 g Glucose, 1
g Pepton, 1000 mL dest. Wasser) mit verschiedenen Selenkonzentrationen (SeVI, SeIV; 0,1
– 200 mg Se L-1) und verschiedenen pH-Werten bei 30°C, 7 Tage in Dunkelheit inkubiert
(Kulturvolumen 20mL in mittels Butylstopfen geschlossenen 100mL-Kulturflaschen).
Methylierte Selenverbindungen wie DMSe und Dimethyldiselenid (DMDSe) sind leichtflüchtige Substanzen. Diese werden mit dem in der Arbeitsgruppe etablierten CryotrappingCryofocussing-Gaschromatography-ICP-MS – System (CT-CF-GC-ICPMS) (Abbildung 1)
detektiert und quantifiziert. Die Identifizierung der einzelnen Substanzen erfolgt über den
Vergleich von Retentionszeiten von Standards und den eigentlichen Proben. Die Quantifizierung erfolgt über Integration der Peakflächen von Standards und eigentlichen Proben.
Abb. 1: CT-CF-GC-ICPMS zur Analyse leichtflüchtiger Selenverbindungen
In Tabelle 1 sind die instrumentellen Parameter des analytischen Systems zusammengefasst.
34
Tab. 1: Instrumentelle Parameter
Typ GC / ICP-MS
Shimadzu GC 14A / VG Element PQ 3
Säule
Supelco equity-1, 30 m x 0.32 mm ID, 0,25 8m FD
Trägergas
He 6.0 (10 ppm Xe) / 6 mL min-1
Temperaturprogramm
40 °C 3 min, 20 °C min-1 bis 200 °C, 200 °C 1 min
Abbildung 2 zeigt ein typisches Chromatogramm von verschiedenen leichtflüchtigen Selenverbindungen, welche in den Inkubationsversuchen gefunden wurden. Neben dem dominant
zu findenden DMSe wurden auch Diethylselenid (DESe), DMDSe, Ethylmethyldiselenid
(EMDSe) und Dieethyldiselenid (DEDSe) gefunden. Abbildung 3 zeigt die quantifizierten
Mengen an methylierten Selenverbindungen bei verschiedenen pH-Werten und unterschiedlichen Selen(IV)-konzentrationen in der Nährlösung. Auffällig dabei sind unterschiedliche Methylierungsmuster in Abhängigkeit zur Konzentration des vorliegenden
Selens. Diese Versuche wurden bei weiteren pH-Werten (pH 4 – pH 6.5) durchgeführt und
ähnliche Resultate erhalten.
DMSe
DMDSe
DESe
EMDSe
DEDSe
Abb. 2: Chromatogramm der volatilen Selenspezies (100 8g L-1 SeIV)
methylation of SeIV dissolved
in nutrient broth
in nutrient broth
DMSe
DMDSe
100.0
unknow n (RT 262s)
m ass of m ethylated S e
in ng
100 µg Se L-1
1 mg Se L-1
-3
* 10
DMSe
DESe
DMDSe
100.0
unknow n (RT 262s)
DEDSe
EMDSe
10.0
DEDSe
10.0
1.0
1.0
0.1
0.1
pH 5
pH 5
pH 6
Abb. 3: Quantifizierung der Selenspezies (Inkubation inkl. gelöstem Se(IV))
35
pH 6
* 10-3
Unter Verwendung von Se(VI) in der Nährlösung sind ähnliche Resultate ermittelt wurden.
Allerdings sind die Absolutwerte niedriger verglichen zur Verwendung von Se(IV), da im Falle
von Selenat zusätzliche Reduktionsschritte nötig sind (siehe Challenger-Mechanismus zur
Methylierung von Selen, Challenger 1945).
Abbildung 4 zeigt die Mengen an DMSe, gebildet unter oben genannten Versuchsbedingungen und unterschiedlichen Konzentrationen an Selenat (SeVI) in der Nährlösung. Aufgrund
der Dominanz von DMSe (Faktor 1000) wurde mittels dieser Verbindung eine Methylierungsrate von 0.1 % ermittelt.
10
m ass of DMSe
in F g
1
0.1
0.01
0.001
0.0001
0.1
1
10
100
200
SeVI dissolved in nutrient broth
in mg L-1
Abb. 4: Bestimmung der Methylierungsrate
Nachdem die Methylierung von Selen, gelöst vorliegend im Nährmedium hinreichend gezeigt
werden konnte, wurde in ähnlichen Versuchsdurchführungen die Methylierung von adsorbierten anorganischen Selenspezies untersucht. Dabei wurden SeIV und SeVI vor der eigentlichen mikrobiellen Inkubation an Goethit adsorbiert, so dass die Gesamtgehalte (2 8g
Se total) an Selen im Inkubationsansatz denen der Versuchsansätze mit gelöstem Selen
entsprachen. In Abbildung 5 sind die Ergebnisse der Untersuchungen mit „unterschiedlichen
Selenquellen“ (gelöst oder adsorbiert) dargestellt.
20
in nutrient broth
DMSe
DESe
DMDSe
unknow n (RT 262s)
15
25
mass of methylated Se
in ng
in ng
25
* 10-3
DEDSe
10
5
pH 5
3
DESe
DMDSe
* 10-3
DEDSe
10
5
pH 5
pH 6
methylation of SeIV attached
on goethite
5
DESe
pH 6
methylation of SeVI attached
on goethite
DMSe
DMSe
in ng
in ng
4
15
DMSe
0
0
5
20
methylation of SeVI dissolved
in nutrient broth
* 10-3
unknow n (RT 183s)
2
1
0
4
3
unknow n (RT 183s)
* 10-3
DMDSe
2
1
0
pH 5
pH 6
pH 5
Abb. 5: Methylierung von gelöstem und adsorbiertem Selen (2 8g Se)
36
pH 6
Vorläufig ist festzustellen, dass das Methylierungsverhalten von gelöstem und adsorbiertem
Selen entgegengesetzten Trends folgt. D.h., währenddessen gelöstes SeIV in höherem
Maße methyliert wird wie das SeVI, wird im Falle der adsorbierten anorganischen Selenspezies das SeVI „effizienter“ methyliert. Gründe dafür sind zum einen die oben erwähnten
zusätzlichen Reduktionsschritte im Falle des gelösten Selens und unterschiedliche Adsorptionsmechanismen (inner-sphärische / außersphärische Komplexe) der Selen-Oxyanionen.
Neben der Verifizierung der Resultate werden die Verfügbarkeitsstudien weiterhin mit einer
bakteriellen Reinkultur Brevibacillus agri und einem komplexen Umwelt-inokulum (Deponiesickerwasser) durchgeführt.
Stand der Promotion / Dauer der Promotion:
Beginn der Promotion im Februar 2005
Publikationen / Kongressbeiträge:
M. Peitzsch, M. Kersten and T. Lager (2005), Metal availability in dregded harbour sediments: comparison between classical column test and DGT deployment, 15./16. September
2005, DGT Workshop 2005, Lancaster University (UK) (Poster)
M. Peitzsch, M. Kersten and T. Lager (2005), Metal availability in mass waste materials:
comparison between classical column test and DGT deployment, 29./30. September 2005,
Workshop des DFG-Graduiertenkollegs 826, Johannes Gutenberg Universität Mainz (Poster)
Mirko Peitzsch, Daniel Kremer & Michael Kersten (2006), Speciation by GC-ICP-MS of microbial alkylation of selenium sorbed to minerals, 10.-12. Oktober 2006, 7. International Conference of Environmental and Biological Aspects of Main-Group Organometallics (ICEBAMO), Heraklion, Griechenland (Poster) (Posterpreis)
Innerhalb der Arbeitsgruppe wird bei der Entwicklung der analytischen Methoden sehr eng
mit Herrn Daniel Kremer (assoziierter Doktorand im Graduiertenkolleg) zusammengearbeit.
Außerhalb der AG werden Kooperationen mit der AG König, insbesondere Herrn Burkhard
Knopf, durchgeführt.
• 18.-22. April 2005 „Bodenminerale und ihre Interaktion mit Spurenelementen“
Dieser einwöchige Kurs wurde von Prof. Kersten im Rahmen des Graduiertenkollegs veranstaltet und teilweise mit externen Referenten (Prof. Stanjek, RWTH Aachen; Dr. Schäfer, FZ
Karlsruhe) abgehalten.
• SS 2005 „Doktorandenseminar des Graduiertenkollegs“ (gehalten alternativ von auswärtigen Gästen oder Doktoranden des Graduiertenkollegs)
• WS 2005 / 2006 „Ringvorlesung des Graduiertenkollegs I – Grundlagen der Spurenanalytik / Trenn- und Bestimmungsmethoden“
• SS 2006 „Ringvorlesung des Graduiertenkollegs II – Methoden der Elementspeziation
und ihre Anwendungen
• 17.-21. Juli 2006 „Direkte Mineralphasenanalytik und Elementspeziation in Festkörpern
mit Hilfe von Laser-Scanning und Elektronen-Mikroskopiemethoden sowie der Photoelektronen“, Prof. Duschner
• WS 2006 / 2007 „Doktorandenseminar des Graduiertenkollegs“ – Vortrag „Mobility of metal(oid)s in the environment“
Aus
37
wärtigen Gästen oder von Doktoranden des Graduiertenkollegs),
Betreuer:
Weitere Betreuer:
Prof. Dr. Michael Kersten (Umweltgeochemie)
Prof. Dr. Helmut König (Institut für Weinforschung und Mikrobiologie)
28 Jahre
38
Stipendiatin: Yvonne Scheller
Detektion von Metallspezies in einzelnen lebenden Zellen mit hoher lateraler Auflösung
Betreuer: Prof. Dr. Heinz Duschner
Darstellung des Dissertationsprojektes und der Forschungsergebnisse
Für viele Pflanzen ist der Boden mit samt seinen Nährstoffen, Mineralien und dem gespeicherten Wasser die Lebensgrundlage. Durch Umwelteinflüsse gelangen Metalle und
Schwermetalle in den Boden, von denen einige in Spuren für Pflanzen essentiell sein können, indem sie z.B. als Cofaktor für Enzyme dienen oder als Bestandteil organischer Komplexe. In höheren Konzentrationen können sie jedoch toxisch wirken. Um dem entgegenzuwirken werden die Metalle z.B. mit Hilfe von Metall-komplexierenden Proteinen, den Phytochelatinen, gebunden und damit detoxifiziert. Je nach Pflanzenart sind die Lagerungsregionen im Habitus verschieden.
Bisherige Untersuchungen in der Spurenanalytik beschränken sich auf Methoden wie ICPMS, die zwar Informationen liefern, welche Spezies in einer Probe vorhanden sind, aber eine
Lokalisierung der Spezies z.B. in einer einzelnen Zelle ist damit nicht möglich. Hohe laterale
Auflösungen erhält man mit Hilfe der Confocalen Laser Scanning Microscopy (CLSM), die
eine 3D-Darstellung der Zelle ermöglicht. Um noch höhere Auflösungen zu erreichen kann
SNOM (Scanning Near-field Optical Microscopy) eingesetzt werden, wodurch Auflösungen
bis zu 50 nm erreicht werden können. Der mikroskopische Nachweis von Metall-Spezies
könnte Hinweise liefern, wo genau in der Zelle die Spezies gebunden werden und welche
spezifischen Eigenschaften dieser Ort aufweist, um die Metall-Spezies zu binden. Bei den
Versuchen nutzt man einzelne lebende Zellen, um spezies-abhängige Prozesse in der Zelle
selbst und zwischen Zellen darstellen zu können. Zudem verringern lebende Zellen das
Risiko von Artefakten, die bei der Präparation entstehen können.
Die Dissertation beschäftigt sich damit, verschiedene Metalle bzw. Metall-Spezies mit hoher
lateraler Auflösung in einzelnen lebenden Zellen nachzuweisen. Es werden verschiedene
Spezies untersucht, da unterschiedliche Spezies unterschiedliche Lokalisationen in der Zelle
aufweisen und damit unterschiedliche Effekte (Toxizität) auf die Zelle haben könnten. Die
Spezies werden mit geeigneten Methoden sichtbar gemacht und damit ihre Lage in der Zelle
bestimmt. Dazu wird die Eigenfluoreszenz der Metallverbindungen durch unterschiedliche
Anregungswellenlängen untersucht und zum anderen metall-spezifische Fluoreszenzfarbstoffe (siehe Tabelle 1) eingesetzt.
Tabelle 1: Metall-spezifische Fluoreszenzfarbstoffe (Invitrogen-Molecular Probes)
Farbstoff
Metall
Exmax/Emmax [nm] Anregungsquelle
Newport Green DCF
Ni(II), Co(II), Zn(II)
505/535
Ar+-Laser (488 nm)
Phen Green SK
Ni(II), Cd(II), Cu(I),507/532
Ar+-Laser (488 nm)
Cu(II), Pb(II)
Calcium Green
Co(II)
503/536
Ar+-Laser (488 nm)
Als Testorganismus dient Catharanthus roseus Vinca rosea, das Madagaskar Immergrün.
Es wird als Zellkultur in LS-Medium angezogen, um Untersuchungen an einzelnen Zellen
durchführen zu können. Den Zellkulturen werden Metallverbindungen über längere Zeit bei
konstanter Temperatur (25° C ± 1° C) und ständiger Beleuchtung zugesetzt. In 24 StundenAbständen nach Zugabe des Metallkomplexes (t = 0) werden Proben entnommen.
Die erste Metallverbindung, die untersucht wird, ist NiCl2, das in einer Konzentration von 100
8M zu der Kultur gegeben wird. Die entnommenen Proben werden unter dem CLSM beo39
bachtet. Zunächst wird die Probe mit UV-Licht bestrahlt, um die Hintergrundfluoreszenz von
unbehandelten und behandelten Zellen zu vergleichen. Danach wird die Ni(II)-Spezies mit
Fluoreszenzfarbstoffen (siehe Tabelle 1) gefärbt.
Bei Anregung mit langwelligem Laserlicht (He/Ne 633 nm, 514 nm, 543 nm) ist kein Unterschied zwischen der Fluoreszenz von Zellen, die nicht mit NiCl2 versetzt wurden und Zellen
mit NiCl2-Zugabe zu sehen. Fluoreszierende Zellbestandteile sind bei UV-Licht, grünem und
blauem Licht (UV-Licht mit Filter) zu erkennen. Dabei handelt es sich wahrscheinlich um
Chloroplasten. Ebenso sind granuläre Strukturen sowohl unter diesen Bedingungen und im
Transmissionsmodus (siehe Abbildung 1 h) zu erkennen, als auch nach Markierung mit
Newport Green DCF und Phen Green SK.
Die Abbildungen 1a bis 1g zeigen die Fluoreszenz von Newport Green DCF in Catharanthus
roseus Vinca rosea und die Abbildungen 2a bis 2d die Fluoreszenz von Phen Green SK in
Catharanthus roseus Vinca rosea nach NiCl2-Disposition von 0 bis 144 h. Bei beiden
Farbstoffen ist eine Zunahme der Fluoreszenz mit ansteigender Dispositionszeit zu erkennen; das komplette Zellvolumen fluoresziert. Mit steigender Dispositionszeit erscheinen die
fluoreszierenden Bereiche granulärer. Es zeigen sich zudem kleine, deutlich abgrenzbare
Bereiche mit erhöhter Fluoreszenzintensität. Bei der Markierung mit Newport Green DCF treten diese Bereiche in unterschiedlicher Morphologie auf: klein und glatt bzw. größer und
granulär. Phen Green SK hingegen zeigt überwiegend die granulären Strukturen.
a)
b)
c)
d)
e)
f)
g)
h)
Abb. 1: Catharanthus roseus Vinca rosea nach NiCl2-Disposition; Ni(II)-Markierung mit Newport Green DCF (1 8M; Inkubationszeit = 1 h) CLSM-Aufnahmen, 63x; Ex. 488 nm, Em. 510590 nm a) t = 0 h b) t = 24 h c) t = 48 h d) t = 72 e) t = 96 h f) t = 120 h g) t = 144 h h) Durchlicht t = 120 h (t = Dispositionszeit)
40
a)
c)
b)
d)
Abb. 2: Catharanthus roseus Vinca rosea nach NiCl2-Disposition; Ni(II)-Markierung mit Phen
Green SK (1 8M; Inkubationszeit = 1 h) CLSM-Aufnahmen, 63x; Ex. 488 nm, Em. 510-590
nm a) t = 0 h b) t = 24 h c) t = 48 h d) t = 144 h (t = Dispositionszeit)
Die Zellen werden nach 144 h NiCl2-Disposition in LS-Medium ohne NiCl2 überführt. Dies soll
weitere Hinweise liefern, wie und wo das NiCl2 gespeichert wird und ob das NiCl2 von der
Zelle wieder abgegeben wird. Die Abbildungen 3a bis 3e zeigen deutlich runde Bereiche in
der Zelle, in der die Fluoreszenzintensität erhöht ist. Die Tatsache, dass es sich um Pflanzenzellen handelt und die Größe und Form dieser Bereiche lässt darauf schließen, dass das
NiCl2 hauptsächlich in Vakuolen gespeichert wird. Bei Abnahme der NiCl2-Konzentration
durch dessen Abgabe ins Medium sinkt die Ionenkonzentration in der Vakuole. Wasser wird
in Folge dessen osmotisch von der Vakuole abgegeben und diese wird kleiner. Sie nimmt
nicht mehr das komplette Zellvolumen ein und wird dadurch als Vakuole erkennbar.
a)
c)
b)
d)
e)
Abb. 3: Catharanthus roseus Vinca rosea nach Überführung in Medium ohne NiCl2; Ni(II)Markierung mit Newport Green DCF (1 8M; Inkubationszeit = 1 h) CLSM-Aufnahmen, 63x;
Ex. 488 nm, Em. 510-590 nm a) t = 24 h b) t = 48 h c) t = 72 h d) t = 96 h e) t = 220 h
41
a)
b)
d)
c)
e)
Abb. 4: Catharanthus roseus Vinca rosea nach Überführung in Medium ohne NiCl2; Ni(II)Markierung mit Phen Green SK (1 8M; Inkubationszeit = 1h) CLSM-Aufnahmen, 63x; Ex. 488
nm, Em. 510-590 nm a) t = 24 h b) t = 48 h c) t = 72 h d) t = 96 h e) t = 220 h (t = Dispositionszeit)
Aufgrund der Größe, Form und Lage einiger stärker fluoreszierenden Bereiche in der Pflanzenzelle könnte es sich bei diesen Strukturen um Zellkerne handeln. In der Literatur wird
von Costa et al. (2005) und Ke et al. (2007) die NiCl2-Akkumulation in humanen Zellkulturen
beschrieben. In humanen Zellen wird NiCl2 im Zellkern gebunden. Eine NukleinsäureMarkierung mit dem nukleinsäurespezifischen Farbstoff Hoechst 33342 wird deshalb durchgeführt, um Informationen zu erhalten, die Parallelen mit der NiCl2-Akkumilation in humanen
Zellen bestätigen oder nicht (Abbildung 5c). Die Fluoreszenz von Hoechst 33342 nach UVBelichtung zeigt im Mikroskop eine deutlich dichtere Ansammlung von Nukleinsäuren, den
Zellkern, der von der Lokalisation in der Zelle mit den kleinen, glatten Bereichen weitestgehend übereinstimmt. Die Fluoreszenz auf dem Bildschirm ist sehr schwach, so dass eine
eindeutige Identifizierung durch Überlagerung der Bilder nicht möglich ist. NukleinsäureMarkierungen mit Farbstoffen, die im langwelligen Bereich emittieren, sollen deutlichere
Hinweise darauf geben.
a)
b)
c)
Abb. 5: Catharanthus roseus Vinca rosea, Einzelzelle; CLSM-Aufnahmen, 63x;
a) Durchlicht b) Fluoreszenz-Markierung von Ni(II) mit Newport Green DCF; Ex. 488 nm Em.
510-590 nm c) DNA-Markierung mit Hoechst 33342, Anregung mit UV-Lampe
42
Die zweite Metallverbindung, die getestet wird, ist CoCl2. Es wird ebenfalls eine Konzentration von 100 8M eingesetzt und wie zuvor verfahren. Co(II) wird mit Newport Green DCF und
Calcium Green markiert.
Die Abbildungen 6a bis 6f zeigen die Pflanzenzellen nach CoCl2-Disposition und Markierung
mit Newport Green DCF. Bereits nach 24 h ist eine Steigerung der Fluoreszenzintensität in
der kompletten Zelle zu erkennen (vergleiche Abbildung 1a). Mit steigender Dispositionszeit
bilden sich granuläre Strukturen aus, die ebenfalls nach Markierung mit Newport Green DCF
fluoreszieren und deutlich im Transmissionsmodus (Abbildung 6 g) zu sehen sind.
Die Abbildung 7 zeigt Pflanzenzellen nach CoCl2-Disposition und Markierung mit Calcium
Green. Starke Fluoreszenz ist im Bereich der Zellwände zu erkennen, wohingegen die Fluoreszenz im Inneren der Zelle schwach bis kaum sichtbar ist. Die unterschiedlichen Ergebnisse der Co(II)-Markierung erlauben noch keine Interpretation und erfordern weitere Optimierungen des Protokolls.
a)
e)
b)
c)
d)
f)
g)
Abb. 6: Catharanthus roseus Vinca rosea nach CoCl2-Disposition; Co(II)-Markierung mit
Newport Green (1 8M; Inkubationszeit = 1 h) CLSM-Aufnahmen, 63x; Ex. 488 nm, Em. 510590 nm a) t = 24 h b) t = 48 h c) t = 72 h d) t = 96 h e) t = 120 h f) t = 144 h g) t = 144 h,
Durchlicht
Abb. 7: Catharanthus roseus Vinca rosea nach CoCl2-Disposition; Co(II)-Markierung mit Calcium Green (1 8M; Inkubationszeit = 1 h) CLSM-Aufnahmen, 63x; Ex. 488 nm, Em. 510-590
nm
Die Kultur mit CoCl2 wird ebenfalls nach 144 h CoCl2-Disposition in Medium ohne CoCl2
überführt. Nach 72 h und 96 h werden Proben entnommen und diese mit Newport Green
43
DCF inkubiert. Die Fluoreszenz wird unter dem CLSM beobachtet und dokumentiert (Abbildungen 8a und 8b). Die Fluoreszenzintensität hat leicht abgenommen, ist aber noch deutlich zu erkennen.
Abb. 8: Catharanthus roseus Vinca rosea nach Überführung in Medium ohne CoCl2; Co(II)Markierung mit Newport Green DCF (1 8M; Inkubationszeit = 1 h) CLSM-Aufnahmen, 63x;
Ex. 488 nm, Em. 510-590 nm
Die Versuche zeigen, dass sowohl Ni(II) als auch Co(II) mit Hilfe von Metall-spezifischen
Farbstoffen in einer einzelnen Zelle nachgewiesen werden kann. Dadurch ergeben sich erste
Informationen, dass Pflanzenzellen die löslichen Nickel- bzw. Cobalt-Verbindungen aufnehmen und diese hauptsächlich in den Vakuolen speichern. Es gibt Hinweise darauf, dass
NiCl2 zudem an die DNA bzw. den Zellkern bindet. Weitere Versuche mit anderen nukleinsäurespezifischen Farbstoffen sollen Klarheit darüber geben. Die Verwendung von weiteren
Co(II)-spezifischen Farbstoffen und die Optimierung der angewendeten Methoden sollen den
Nachweis von Ni(II) und Co(II) in den Zellen verbessern und die eine bessere Lokalisierung
ermöglichen.
Weitere Spezies, sowohl löslich als auch unlöslich, werden untersucht und deren Lokalisation in der Zelle bestimmt.
Dauer der Promotion
Die Promotion wurde im Juni 2006 begonnen und wird voraussichtlich bis Mai 2009 andauern.
Angaben zu im Berichtszeitraum entstandenen Publikationen, Kongressbeiträgen, etc.
--Zusammenarbeit mit bzw. Bezug zu anderen Projekten
Die Zusammenarbeit findet bisher hauptsächlich mit Mitarbeitern von Herrn Stöckigt aus der
Pharmazie statt, die Pflanzen in Zellkultur kultivieren.
44
• 28.08. – 01.09.2006: „Metallomics and Metalloproteomics“ bei Prof. Dr. Ryszard Lobinski,
CRNS Pau, Frankreich
• 17.07.2006: „Direkte Mineralphasenanalytik und Elementspeziation in Festkörpern mit
Hilfe von Laser-Scanning- und Elektronen-Mikroskopiemethoden sowie der Photoelektronen“ (XPS, ESEM, CLSM)
Betreuer: Prof. Dr. Heinz Duschner
Ggf. Auslandsaufenthalte
--Alter bei Eintritt in das Graduiertenkolleg
25
45
Thema und Betreuer des Dissertationsprojekts:
Stipendiatin: Sonja Dierking
Direkte Speziation der Sorption von Neptunium an Silica, Aluminiumoxid und Montmorillonit
Betreuer: Prof. Dr. T. Reich, Prof. Dr. J.V. Kratz
Darstellung des Dissertationsprojekts und der Forschungsergebnisse:
Für die Langzeitsicherheitsanalyse eines nuklearen Endlagers und zur Bewertung verschiedener Verfüllmaterialien muss das Sorptions- und Migrationsverhalten der Radionuklide
im Barrieresystem und – für den Fall einer Freisetzung – im umgebenden Wirtsgestein sowie
im Aquifer bekannt sein. Nach mehr als 1000 Jahren Abklingzeit bestimmen die minoren Actiniden Plutonium, Americium, Curium, aber auch Neptunium aufgrund seiner langen
Halbwertzeit (237Np 2,14 Mio. Jahre) wesentlich die Radiotoxizität des nuklearen Abfalls. Da
das Umweltverhalten von Neptunium bisher unzureichend studiert wurde, sind die Speziationsuntersuchungen zur Sorption auf das fünfwertige Neptunium, NpO2+, fokussiert, den
unter den meisten Umweltbedingungen dominierenden Oxidationszustand des Neptuniums.
Ein mögliches Entsorgungskonzept stellt die Endlagerung in Tongestein dar, außerdem sind
Tonminerale ein wichtiges Abdichtmaterial für Endlager. So wird als technische Barriere unter anderem Bentonit wegen seiner Plastizität, Quellfähigkeit, geringen Permeabilität und
großen Oberfläche diskutiert. Sein Hauptbestandteil ist Montmorillonit, ein DreischichtPhyllosilikat, das aus oktaedrischen AlO6-Schichten besteht, die jeweils zwischen zwei tetraedrischen SiO4-Schichten eingebettet sind. Neben der permanenten, negativen Oberflächenladung, die aus dem isomorphen Ersatz (Einbau von Kationen gleicher Größe, aber
geringerer Wertigkeit) während des Mineralwachstums resultiert, wird die Sorptionskapazität
für Kationen durch den pH-Wert der umgebenden Lösung bestimmt, der die funktionellen
Oberflächengruppen ( SOH) beeinflusst [1]. Da die Aluminol- und Silanolstrukturen als
entscheidend für die innersphärische Sorption angesehen werden [2], können Silicium- und
Aluminiumoxide als Referenzsubstrate zur Untersuchung des Einflusses des chemischen
Milieus auf die Wechselwirkungen zwischen Neptunium und Tonmineral herangezogen werden.
In diesem Projekt sollen Kenntnisse über die pH-Abhängigkeit und Reversibilität der Sorption
von Np(V) bei umweltrelevanten Spurenkonzentrationen (pM) sowie über den Verlauf der
Sorptionsisothermen gewonnen werden, wobei XANES/EXAFS-Messungen bei höheren
Neptuniumkonzentrationen (8M) Aufschluss über die Speziation des gebundenen Neptuniums geben sollen. Dazu wurden zunächst Batchexperimente mit 10-12 M Np(V) an Aluminiumoxid (C-Al2O3, AlfaAesar) im pH-Bereich 5 bis 10, bei Ionenstärke 0,01 und 0,1 M NaClO4
und in Gegenwart sowie Abwesenheit von atmosphärischem CO2 durchgeführt. Das optimale
Feststoff/Lösung-Verhältnis von 0,5 g/l wurde anhand von veröffentlichten Verteilungskoeffizienten [3, 4] so berechnet, dass maximal ca. 80 % des angebotenen Neptuniums sorbiert
werden. Für die Experimente im pikomolaren Konzentrationsbereich wurde mit dem Isotop
239
Np (t1/2 = 2,35 d) gearbeitet. Die 239Np(V)-Stammlösung wurde durch Bestrahlung von 238U
(Uranylnitrat UO2(NO3)2 · 6 H2O) im Forschungsreaktor TRIGA Mainz, gefolgt von der Abtrennung von Uran und dessen Spaltprodukten mittels Ionenaustauschchromatographie erzeugt. Bei dem Experiment im mikromolaren Konzentrationsbereich wurde eine 237Np(V)Stammlösung eingesetzt, die zuvor von Plutonium und Protactinium gereinigt worden war.
Vor der Zugabe des Neptuniums wurde die Al2O3-Suspension über mehrere Tage bei dem
entsprechenden pH-Wert equilibriert und dieser auch während des Experiments täglich überprüft und ggf. mit HClO4 bzw. NaOH nachgestellt. Nach der Kontaktzeit von drei Tagen
46
wurden die Phasen durch Zentrifugation (20 min bei 4025 x g) getrennt und die Neptuniumkonzentration im Überstand mittels C-Spektrometrie bestimmt.
Die pH-Abhängigkeit der Sorption von Np(V) an C-Al2O3 ist in Abb. 1 dargestellt. Die Abnahme der Sorption im hohen pH-Bereich unter atmosphärischem CO2-Partialdruck deutet
auf die Bildung gelöster Np(V)-Carbonato-Komplexe hin, wie es auch für U(VI) und Np(V) an
Kaolinit beobachtet wurde [5, 6, 7]. Beim Vergleich der Sorptionskanten (pH-Wert, bei dem
50 % der maximalen Sorption erreicht ist) wird deutlich, dass ihre Lage unter Ausschluss von
CO2 durch die Ionenstärke beeinflusst wird, während sie unter atmosphärischen Bedingungen unabhängig von der Konzentration des Hintergrundelektrolyten ist. Dies deutet auf die
Bildung innersphärischer Oberflächenkomplexe in Gegenwart von Luft hin, zu deren
Nachweis sich eine direkte Speziation mittels EXAFS anschließen soll.
100
[NaClO4] =
80
0,1 mol/l
{
0,01 mol/l
{
% Sorption
60
an Luft
CO2-frei
an Luft
CO2-frei
Reihe5
[Al2O3] = 0,5 g/l
40
20
239
Np] = 8·10
237
Np] = 8·10
[
[
-12
mol/l
-6
mol/l
0
4
5
6
7
pH
8
9
10
11
-20
Abb. 1: Sorption von piko- und mikromolarem Np(V) an C-Al2O3 bei unterschiedlicher NaClO4
Ionenstärke in An- und Abwesenheit von CO2.
Zur Auswahl geeigneter Proben für die EXAFS-Messungen, die eine größere Menge an sorbiertem Neptunium erfordern, wurde ein Batchexperiment mit höherem Neptuniumangebot
(8·10-6 M) durchgeführt. Die prozentual geringere Np(V)-Sorption bei dieser Konzentration
(Abb. 1) resultiert aus der limitierten Anzahl von Bindungsplätzen. Die Lage von Sorptionskante und –maximum ist jedoch mit den Ergebnissen identisch, die bei 8·10-12 M Np(V) erhalten wurden, sodass nun Proben beim Sorptionsmaximum pH 8,5 für EXAFS-Messungen
präpariert werden sollen.
Zur Ergänzung dieses Vorhabens wurde im Rahmen des Network of Excellence ACTINET
ein Joint Research Project mit dem Paul Scherrer-Institut (PSI) in Villigen/Schweiz und der
ROBL-Beamline des Forschungszentrums Rossendorf in Grenoble für 18 Monate beantragt
und bewilligt (JRP 05-22). Dabei wurde in Kooperation mit dem PSI mit der Konditionierung
von Montmorillonit begonnen; da dort jahrelange Erfahrungen mit der Behandlung und Verwendung von Tonmineralen vorliegen. In verschiedenen Arbeitsschritten wurde das zertifizierte Referenzmaterial (STx-1, Clay Mineral Society) nach der in [8] publizierten Methode
in seiner Größenfraktion eingeschränkt (<0,5 8m), gereinigt, charakterisiert und in die
monoionische Natriumform überführt. Die in den anschließenden Batchexperimenten für
Np(V) gemäß der Vorschrift [9] ermittelten Sorptionskoeffizienten (Kd) sind wie erwartet deutlich niedriger als beim Aluminiumoxid (Abb. 2), was auf eine selektive Sorption des Neptuniums an den AlOH-Bindungsplätzen hinweist; die ähnlichen spezifischen Oberflächen von
68 m2/g (BET) beim C-Al2O3 und 84 m2/g beim STx-1 erlauben einen direkten Vergleich der
Kd-Werte. Insgesamt stimmen die gemessen Werte gut mit Literaturdaten überein [3, 4, 10].
47
3.5
Aluminiumoxid C-Al2O 3
Montmorillonit STx-1
3.0
log K d [ml/g]
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
4
5
6
7
pH
8
9
10
11
Abb. 2: Sorptionskoeffizienten an C-Al2O3 (Np(V) = 9,4·10-6 M) und Montmorillonit STx-1
(Np(V) = 1,1·10-5 M). Vergleich der Experimente an Luft bei Ionenstärke 0,1 M NaClO4.
Die für das System Np(V)/STx-1 an Luft ermittelten Sorptionsisothermen bei 0,1 M NaClO4
zeigen in doppeltlogarithmischer Darstellung einen linearen Verlauf (Abb. 3). Beim Vergleich
mit dem bei pH 9 in Abwesenheit von CO2 durchgeführten Versuch ist eine Parallelverschiebung der Geraden hin zu höheren Sorptionswerten zu beobachten, die durch die Carbonatkomplexierung von Np(V) in Lösung bedingt ist (siehe auch Abb. 1).
C Np sorbiert [mmol/kg]
100
10
1
0
0.00001
pH 8 Luft
pH 9 Luft
pH 9 CO2-frei
0.0001
0.001
C Np gelöst [mmol/l]
0.01
0.1
Abb. 3: Sorptionsisothermen von Np(V) an Montmorillonit für 0,1 M NaClO4 bei pH 8 und 9
an Luft sowie CO2-frei.
Die dargestellten Versuche zur Ermittlung der pH-Abhängigkeit und des Einflusses von
Ionenstärke sowie von CO2 geben erste Anhaltspunkte für die Art und Weise der Sorption
von Np(V) an C-Al2O3 bzw. STx-1. Sie sind die Grundlage für weitere Experimente zur direkten Speziation, für die EXAFS-Analysen in Vorbereitung sind; Messzeiten wurden an der
ANKA/INE- und an der ROBL-Beamline für Mai bzw. Juni 2007 bewilligt.
48
[1] F. Scheffer, P. Schachtschabel. Lehrbuch der Bodenkunde. 13. Auflage, Ferdinand Enke
Verlag, Stuttgart, 1992.
[2] W. Stumm. Chemistry of the Solid-Water Interface. John Wiley & Sons, 1992.
[3] W. Li, Z. Tao. Comparative Study on Np(V) Sorption on Oxides of Aluminium and Silicon:
Effects of Humic Substance and Carbonate in Solution. Journal of Colloid and Interface
Science 267, 25-31, 2003.
[4] F.P. Bertetti, R.T. Pabalan, M.G. Almendarez. Studies of Neptunium(V) Sorption on
Quartz, Clinoptilolite, Montmorillonite, and `-Alumina. in: E.A. Jenne (ed.): Adsorption of
Metals by Geomedia. Academic Press, 131-148, 1998.
[5] A. Krepelová, S. Sachs, G. Bernhard. Uranium(VI) Sorption onto Kaolinite in the Presence and Absence of Humic Acid. Radiochim. Acta 94, 825-833, 2006.
[6] S. Amayri, T. Reich, A. Jermolajev, Ta. Reich, J. Drebert, S. Boulyga. Structure of Uranium(VI) Surface Complexes on Kaolinite. Jahresbericht 2004, Institut für Kernchemie:
C1, 2005.
[7] A. Jermolajev, J.R. Kasbohm, S. Amayri, T. Reich. Sorption of Neptunium on Kaolinite
under Environmental Conditions. Jahresbericht 2005, Institut für Kernchemie, C5, 2006.
[8] B. Baeyens, M.H. Bradbury. A Quantitative Mechanistic Description of Ni, Zn and Ca
Sorption on Na- Montmorillonite. Part I: Physico-Chemical Characterisation and Titration
Measurements. PSI Bericht Nr. 95-10, 1995 und Nagra NTB 95-04 1995.
[9] B. Baeyens, M.H. Bradbury. A Quantitative Mechanistic Description of Ni, Zn and Ca
Sorption on Na-Montmorillonite. Part II: Sorption Measurements. PSI Bericht Nr. 95-11,
1995 und Nagra NTB 95-05, 1995.
[10] D.R. Turner, R.T. Pabalan, F.P. Bertetti. Neptunium(V) Sorption on Montmorillonite: An
Experimental and Surface Complexation Modeling Study. Clays and Clay Minerals 46(3),
256-269, 1998.
Stand/ Dauer der Promotion:
Beginn im Oktober 2005, Abschluss Ende 2008 erwartet.
Angaben zu im Berichtszeitraum entstandenen Publikationen, Kongressbeiträge etc.:
S. Dierking, S. Amayri, V. Vicente Vilas, T. Reich. Sorption of Neptunium(V) onto C-Aluminium Oxide – Dependency on pH and Ionic Strength. Poster, GRK Evaluation, 23.10.2006.
Eine enge Kooperation besteht mit der Arbeitsgruppe von Prof. J.V. Kratz, insbesondere mit
V. Vicente Vilas, im Bereich der Sorption von Aktiniden an Tonmineralen und der EXAFSSpektroskopie. Des Weiteren fanden ICP-MS Messungen in der Geochemie mit Unterstützung der Arbeitsgruppe von Prof. M. Kersten (D. Kremer, assoziiertes GRK-Mitglied)
statt.
1.) Ringvorlesung I Wintersemester 2005/2006
2.) Ringvorlesung II Sommersemester 2006
3.) Blockpraktikum „Direkte Mineralphasenanalytik und Elementspeziation in Festkörpern mit
Hilfe von Laser-Scanning- und Elektronen-Mikroskopiemethoden sowie der Photoelektronen“ Prof. Dr. H. Duschner 17.–21.07.2006
4.) Sommerkurs „Trace Analysis of Elemental Species: Metallomics and Metalloproteomics”
Prof. Dr. R. Lobinski 28.08.–01.09.2006
49
5.) Symposium „Speciation of Radionuclides in the Environment“ 21.09.2006
Auslandsaufenthalte:
1.) Paul Scherrer-Institut, Villigen, Schweiz 06.03.–07.04.2006
2.) Actinet Summer School, Saclay, Frankreich 03.–07.07.2006
3.) Paul Scherrer-Institut, Villigen, Schweiz 23.10.–17.11.2006
27 Jahre
50
Stipendiat: Sebastian Raeder
Thema: Entwicklung einer Online-Einbringung für die Ultraspurenanalyse von
Uran 236 mittels hochauflösender Resonanzionisations-Massenspektrometrie
Betreuer: Prof. Dr. Klaus Wendt
Das Isotop 236U kommt in der Natur nur mit einer extrem geringen relativen Häufigkeit von <10-12 im
Vergleich zu 238U vor. In Kernreaktoren wird 236U durch Neutroneneinfang von 235U-Atomen gebildet,
weshalb im Kernbrennstoff das Isotopenverhältnis 236U/238U um viele Größenordnungen bis in den
Bereich einiger Prozent erhöht sein kann.
Die Bestimmung geringster Mengen von 236U und vor allem des Isotopenverhältnissen 236U/238U ermöglicht es, eine anthropogene Uran-Kontamination aus dem Kernbrennstoff-Kreislauf eindeutig von
Natururan zu unterscheiden. Eine Exposition von anthropogenem Uran in der Umwelt findet in Form
von unlöslichen und immobilen U(IV)-Spezies statt. Durch Oxidationsprozesse in der Natur wird der
Kernbrennstoff in lösliche und somit mobile U(VI)-Verbindungen umgewandelt. Durch die Detektion
des Isotopenverhältnisses 236U/238U als auch des Verhältnisses der Uranspezies in kontaminierten Gebieten lassen sich Fragestellungen zum Migrationsverhalten von Kernbrennstoff in der Umwelt realisieren. Insbesondere kann die Dynamik der Entstehung von löslichen und damit für lebende Organismen zugänglichen U(VI)-Spezies aus anthropogenen Uran-Quellen untersucht werden, wie z.B. in der
Umgebung des Tschernobyl-Unfallreaktors.
Abbildung 1:
schematische Darstellung der Uranspezies und der Migration der
U(VI)-Spezies aus dem Kontaminationsgebiet
51
Für diese Untersuchungen soll das Verfahren der
hochauflösenden
ResonanzionisationsMassenspektrometrie (HR-RIMS) zur selektiven Bestimmung von 236U eingesetzt werden. Dafür waren laserspektroskopische Untersuchungen zum Auffinden eines
geeigneten Anregungspfades für Uran-Isotope, der einerseits zur effizienten Ionisation führen, andererseits aber
selektiv nur ein Isotop ansprechen soll, erforderlich. Hier
konnte von dem ehemaligen Graduierten Philipp Schumann in Zusammenarbeit mit B. Bushaw vom Pacific
Northwest National Laboratory (PNNL) durch aufwändige spektroskopische Untersuchungen an verschiedenen
atomaren Zwischenzuständen ein Anregungsschema entwickelt werden welches die erforderlichen SpezifikatioAbbildung 2:
Anregungsschema
nen für optische Selektivität und effiziente Ionisation gefür Uran
währleistet [1,2]. Die Laserionisation geschieht dabei über drei resonante Schritte, welche Laserlicht der Wellenlängen 415 nm, 829 nm und 722 nm benötigen. Der letzte resonante Anregungsschritt führt zu einer atomaren Resonanz oberhalb des Ionisationspotentials, einem so genannten auto-ionisierenden Zustand, der in
ein Ion-Elektronpaar zerfällt und damit zur effizienten Ionisation führt.
Erste Messungen an der in Mainz entwickelten Apparatur ergaben eine Effizienz von 10-7, wobei
eine Probe mit 1017 Atomen Uran eingesetzt wurde. Eine Reihe synthetischer Proben mit Isotopenverhältnissen 236U/238U von 10-3 bis 10-8 konnte ebenfalls vermessen werden und demonstriert die Linearität
des Systems bis zu Isotopenverhältnissen von 10-8 [2,3]. Dabei rührt die Limitierung von 10-8 momentan aus dem neutralen spezifischen Untergrund, der bei den notwendigerweise hohen Ausheiztemperaturen auftritt.
Abbildung 3:
Messung der Linearität der Apparatur durch die Messung einer Verdünnungsreihe und
das vorläufige Ergebnis der Messungen von zertifizierten Proben des IRMM
Aufbauend auf diesen Ergebnissen wurde weitere laserspektroskopische Untersuchungen wurden am PNNL durchgeführt, mit dem
Ziel bisher unbekannte zweite Anregungsschritte im Bereich von
36 862 cm-1 – 37 166 cm-1 zu finden. Die Anregungsschritte eines
derartigen Anregungsschemas liegen in einem für Diodenlaser zugänglichen Wellenlängenbereich. Unter 13 gefundenen Zuständen
ungerader Parität konnte ein Zustand bei 37 015 cm-1 identifiziert
werden, durch welchen eine hohe Effizienz für die Laserionisation
mit Diodenlasern gewährleistet ist [3,4].
Abbildung 4:
52
Diodentaugliches
Anregungsschema
für Uran
Zur Reduktion des spezifischen Untergrundes wurde begonnen, die Apparatur um eine Quadrupolumlenkeinheit zu erweitern, um so eine höhere Selektivität gegenüber dem Neutraluntergrund zu erreichen. Außerdem wurden erste Messungen von zertifizierten Proben des IRMM durchgeführt, diese
Messungen sind aber nicht abgeschlossen, insbesondere, da wir uns erhoffen durch die neue Apparatur
eine bessere Selektion zu erreichen. Erste vorläufige Resultate sind in Abbildung 3 dargestellt.
Neben dem Aufbau der Online-Einbringung für die HR-RIMS, mit der bereits begonnen wurde, ist
weiterhin die Verbesserung des Messsystems hinsichtlich Effizienz und Isotopenverhältnisbestimmung
vorgesehen, um Messungen von 236U/238U-Verhältnissen in Umweltproben aus der ferneren Umgebung
von Tschernobyl durchführen zu können.
Literatur:
[1] P.G. Schumann, B.A. Bushaw, K.D.A. Wendt,
Spectrochimica Acta Part B 60 (11) 1402-1411 (2005)
[2] P.G. Schumann, Dissertation
Institut für Physik, Universität Mainz (2006)
[3] S.Raeder, Diplomarbeit
Institut für Physik, Universität Mainz (2006)
[4] B.A. Bushaw, S. Raeder, S.L. Ziegler, K.D.A. Wendt,
Spectrochimica Acta, submitted
53
Dauer der Promotion
Beginn der Promotion: Mai 2006
S. Raeder, P.G. Schumann, S.F. Boulyga, B.A. Bushaw, C. Geppert, A. Schmitt, N. Trautmann, K.D.A. Wendt, Selective Ultratrace Determination of Uranium Isotopes in the Environment, Poster, 39. DGMS Tagung, März 2006, Mainz
Sebastian Raeder, Philipp G. Schumann, Sergei F. Boulyga, Christopher Geppert, Gerd Passler, Norbert Trautmann, Klaus D.A. Wendt, Bruce A. Bushaw, Selektive Isotopenanalyse des
Uranisotopes 236 mittels hochauflösender Resonanzionisations-Massenspektrometrie, Vortrag, DPG Tagung Fachverband Massenspektrometrie, März 2006, Frankfurt
Sebastian Raeder, Philipp G. Schumann, Klaus D.A. Wendt, Bruce A. Bushaw, Spektroskopie
von angeregten und auto-ionisierenden Zuständen im Spektrum des neutralen Urans, Vortrag,
DPG Tagung Fachverband Atomphysik, März 2006, Frankfurt
Sebastian Raeder, Philipp G. Schumann, Christopher Geppert, Hideki Tomita, Norbert Trautmann, and Klaus D.A. Wendt, Bruce A. Bushaw, Selective Ultratrace Determination of Uranium Isotopes in the Environment, Vortrag, LAP 2006, September 2006, Wien
Für die Entwicklung der Online-Einbringung der RIMS ist eine Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe von PD Bettmer angestrebt.
• Ringvorlesung II - SoSe 2006
• 18.08 - 22.09.2006 Kurs ”Element Species Determination by LC-ICP-MS Hyphenated
Methods” of Dr. Ralf Krüger, Universität Mainz
Betreuer:
Prof. Dr. Klaus Wendt
Weitere Betreuer:
PD Dr. Jörg Bettmer
-Alter bei Eintritt in das Graduiertenkolleg
26
54
Stipendiat: Víctor Vicente Vilas
Study of the interactions of Neptunium with humic substances and the clay
mineral montmorillonite by direct and indirect speciation methods
Betreuer: Prof. Dr. Jens Volker Kratz, Prof. Dr. Tobias Reich
Neptunium will become a major contributor to the radiation inventory in nuclear waste due to
the long half-life of its isotope 237Np (2.14•106 years). It can exist in the oxidation states III –
VII, but the cation NpO2+ dominates the aqueous speciation under a wide range of environmental conditions. Montmorillonite and other clay minerals like kaolinite contain Al-OH
groups as reactive surface sites. To better understand the role of these aluminum hydroxide
groups for the sorption of Np(V) onto clays, we are investigating Np(V) sorption onto the reference mineral gibbsite ( -Al(OH)3). For montmorillonite and kaolinite, different experimental
data for the sorption of Np(V) are available [1–4], but regarding gibbsite there are only data
for the sorption behaviour of uranium (VI) [5].
The sorption of 7.0 pM Np(V) onto gibbsite (Merck, 1.22 m2/g) was studied in the pH range
6.5-9.5. The batch experiments shown in Fig. 1 were performed in air at two different background electrolyte concentrations, i.e., 0.01 and 0.1 M NaClO4. The solid to liquid ratio was
22 g/L to obtain a high Np uptake. In the presence of air, the sorption of Np(V) was independent from ionic strength, indicating inner-sphere sorption. This should be confirmed by
EXAFS measurements.
Fig. 1: Sorption of 7.0 pM Np(V) onto
gibbsite in equilibrium with air as function
of pH at two electrolyte concentrations.
110
Np sorbed, %
90
70
50
30
=[NaClO4]=0.1 M
=[NaClO4]=0.01 M
10
-10 6
6,5
7
7,5
8
8,5
9
9,5
pH
Fig. 2 demonstrates the influence of CO2 on the sorption of 7.0 pM Np(V). The gibbsite concentration here was 4 g/L. In the air-equilibrated system, the formation of neptuniumcarbonato complexes above pH 8.5 reduces the amount of Np sorbed onto the mineral surface. In the CO2-free system, the Np uptake by gibbsite increases continuously from pH 6.5
to 9.5.
Np sorbed, %
85,0
65,0
Fig. 2: Influence of CO2 on the sorption of
Np(V) onto gibbsite in 0.1 M NaClO4.
[Np]=7 nM, air
[Np]=7 pM, air
[Np]=7 pM, Ar-Box
45,0
25,0
5,0
-15,0
6,00
6,50
7,00
7,50
8,00
8,50
9,00
9,50
pH
55
The sorption of Np(V) in the presence of air at pH 8.5, 0.1 M NaClO4, and 4 g/L was studied
in the range of 10-13-10-4 M Np(V). According to the sorption isotherm shown in Fig. 3, the
Freundlich plot of the Np(V) sorption onto gibbsite is nearly linear up to 2.8•10-5 M Np. At this
concentration, precipitation of Np(V) carbonates starts. In the linear range of the sorption isotherm, two zones with slightly different slopes have been observed, indicating the existence
of weak and strong sorption sites of gibbsite.
Fig. 3: Sorption isotherm of Np(V) onto
gibbsite.
3
log Np sorbed (g/kg)
1
-15
-13
-11
-9
-7
-5
-3
-1
-3
-5
pH 8.5
0.1 M NaClO4
-7
-9
log equilibrium Np conc. (M)
Humic substances (HS) are normally divided into fulvic acid (soluble in alkali and acidic media), humic acid (soluble only in alkali), and humin (insoluble). HS affect the mobilization or
immobilization of metal ions in the environment by forming humic-complexes, organominerals, or by complexing the metal ions. Humin can be considered as a naturally occurring organoclay which is formed preferentially in statu nascendi of the HS [6], humic-clay complexes are in contrast an association of formed humic substances and clay. Therefore, studies are needed in order to understand the role of the clay minerals. The formation of humic
acid like substances (HALS) in the presence of montmorillonite STx-1 (Clay Mineral Society)
was studied. An interesting pathway for the formation of humic acids in soils is the condensation of sugars and amino compounds [7,8], as initially proposed by Maillard in 1912 [9]. First
studies were performed in order to determine the impact of montmorillonite STx-1 on the
formation of HALS, using L-tyrosine or glutamic acid, and xylose as reactants.
HALS were synthesized in a batch experiment starting from 16.5 g xylose, 13.5 g L-tyrosine
or 11 g glutamic acid, 3.2 g montmorillonite STx-1 and 150 mL water. After reflux boiling
(100°C, 90 h) for L-tyrosine and (80°C, 90h) for glutamic acid [10], HALS products were isolated from the batch. The humic substance-like sorbate on montmorillonite was also isolated
and studied. In the same way, pure montmorillonite STx-1 was treated and studied (Treated
STx-1).
We isolated three phases for the synthesis starting from L-Tyrosine, the sorbate on montmorillonite (THS), a light organic compound (THL) and a dark organic compound (THD). Two
phases for the synthesis starting from Glutamic acid, the sorbate (GHS) and a dark compound (GHD), were isolated. Table 1 shows the yields, and carbon content mean value for
the syntheses. Fig. 5 shows the IR spectra for the GHD in comparison with that of treated
montmorillonite. The strong line at about 1040 cm-1 and the shoulder at about 1120 cm-1
correspond to the asymmetric stretching Si-O-Si and Al-O-Si band in the IR spectrum [11],
and points to the occurrence of montmorillonite residues in HALS. This could also explain the
yield of the reaction, and the fact that the C content is low. These results indicate that the
presence of montmorillonite during the synthesis starting from glutamic acid mainly influences the HALS yield and its elemental composition. This is not observed for the synthesis
starting from L-tyrosine. The respective IR spectra of THL and THD are shown in Fig. 6.
56
Sample
GHD
GHS
THL
THD
THS
Yield (g)
0.2584
1.6260
8.5763
0.0187
1.8994
Table 1: Yields and carbon content for the
syntheses.
mg C/g
285.1
17.1
590.45
530.115
11.8
GHD
50
Transmission %
100
Treated STx-1
3900
3400
2900
2400
1900
1400
900
0
400
Wavenumber (cm-1)
Fig. 5:
Infrared spectra of Treated
STx-1 and the dark organic compound
GHD, synthesized in the presence of
montmorillonite starting from glutamic acid.
THD
50
THL
3900
3400
2900
2400
1900
1400
900
Transmission %
100
0
400
Wavenumber (cm-1)
Fig. 6:
Infrared spectra of the light
organic compound THL and the dark organic compound THD, synthesized in the
presence of montmorillonite starting from
L-Tyrosine.
57
For the near future, it is planned to investigate the complexation of Np(V) by THS and GHS (and
the other HALS products) and to compare the sorption of Np(V) by the sorbates with that by pure
montmorillonite.
References
[1] Jermolajev, A. et al. Annual Report, Institute of Nuclear Chemistry, Mainz (Germany) 2005,
C5.
[2] Weijuan, L. et al. J. Colloid Interface Sci., 267, 25 (2003).
[3] Turner, D. R. et al. Clays Clay Miner., 46, 3, 256 (1998).
[4] Bertetti, F. P. et al. In Adsorption of Metals by Geomedia Ed. Jenne E. A., Ed. Academic
Press, San Diego, California, 132 (1998).
[5] Baumann, N. et al. J. Colloid Interface Sci., 290, 318 (2005).
[6] Ziechmann, W. (1993) Humic Substances, Wissenschaftsverlag, Mannheim.
[7] Stevenson, F.J. (1982) Humus Chemistry, A Wiley-Interscience publication
[8] Jokic, A. et al. (2004) Org. Geochem. 35, 747-762.
[9] Maillard L.C. (1912) C. R. Acad. Sci. 154, 66-68.
[10] Pompe, S. et al. (1998) Radiochimica Acta, 82, 89-95.
[11] Lee, W.K.W. (2003) Langmuir. 19, 8726-8734.
Dauer der Promotion
October 2005
V. Vicente Vilas, U, Np and Pu speciation in environmentally-relevant systems, Oral
Presentation at the GRK evaluation, October, 2006.
V. Vicente Vilas, S. Amayri, S. Dierking, J. V. Kratz, T. Ye. Reich & T. Reich, Neptunium(V) Sorption onto Gibbsite, Poster presentation at the GRK evaluation, October, 2006.
V. Vicente Vilas, S. Amayri, C. Blum, S. Dierking, J. V. Kratz, T. Reich. Neptunium(V)
sorption onto gibbsite, Jahresbericht Institut für Kernchemie 2007.
V. Vicente Vilas, S. Rubert de la Rosa, J.V. Kratz, N. Trautmann. Study of humic acid like
substances synthesis in the presence of montmorillonite (STx-1). Jahresbericht Institut für
Kernchemie 2007.
S. Dierking, V. Vicente Vilas, B. Baeyens, T. Reich. Konditionierung von Montmorillonit
und Sorptionsversuche mit Neptunium. Jahresbericht Institut für Kernchemie 2007.
S. Dierking, V. Vicente Vilas, S. Amayri, T. Reich. Sorption und direkte Speziation von
Neptunium an -Aluminiumoxid. Jahresbericht Institut für Kernchemie 2007.
The research work was realized in cooperation with the research group of Prof. Reich within the
Graduiertenkolleg. Víctor Vicente Vilas closely cooperated with Sonja Dierking for batch experiments in model minerals.
1) 28. 08 - 01.09.2006 Course “Trace Analysis of Elemental Species: Metallomics and
Metalloproteomics” of Prof. Dr. Ryszard Lobinski, CRNS Pau, France
58
2) 17.07 - 21.07.2006 Course ” Direkte Mineralphasenanalytik und Elementspeziation in
Festkörpern mit Hilfe von Laser-Scanning- und Elektronen-Mikroskopiemethoden sowie
der Photoelektronen” of Prof. Dr. Heinz Duschner, University of Mainz
Betreuer: Prof. Dr. Jens Volker Kratz
Weitere Betreuer: Prof. Dr. Tobias Reich
One-week course "Geochemistry and Migration of Actinides" at the National Institute of Nuclear
Science and Technology (Saclay, France) July 2006 which was organized by the European Union funded international project named ACTINET.
27
59
Stipendiat: Ru-Jin Huang
Novel approaches to the analysis of iodine species in the marine boundary layer
Betreuer: Prof. Dr. Thorsten Hoffmann
The atmospheric impact of iodine chemistry has been receiving increasing attention and become
a growing active research field of interest over the past two decades. Numerous field measurements and modeling studies have been made in the troposphere, especially in the marine
boundary layer (MBL). These studies concentrated on the potential atmospheric significance of
iodine photochemistry such as catalytic destruction of ozone via reaction with iodine atoms released by the photolysis of alky iodides and molecular iodine; modulating the boundary layer
levels of the HOX (HO2/OH) and the NOx species (NO/NO2), and therefore affect significantly the
atmospheric photooxidant budget; etc.. Recently the atmospheric impact of iodine has been proposed to the enrichment of iodine in marine aerosols, the formation of new particles in the MBL
and their evolution to form stable cloud condensation nuclei. Although some progress has been
made, a number of uncertainties in the sources, sinks, kinetics parameters and recycling of iodine are remained and the identification and quantitation of some key reactive iodine species are
still challenging analytical problem.
Interest in iodine atmospheric chemistry has been greatly stimulated in the last few years by the
suggestion that molecular iodine (I2) is the most important precursor for new particle formation
and also the dominant source of coastal reactive iodine in the MBL. The I2 released into air will
be photolysed to I atoms, which then involve a chain reaction and finally partition between the
gas and aqueous phase in atmospheric aerosols. Meanwhile, the key iodine compound (HOI)
uptake on sea-salt aerosol has been proposed to enhance chlorine and bromine activation by
reaction of HOI with Cl- and Br-. The subsequent product, ICl and IBr, released from aerosol will
lead to enhance ozone depletion. Although the reaction mechanism of iodine-containing species
has recently been proposed by Pechtl et al. [see Fig. 1], the exact mechanism of transformation
of iodine species and their partition fraction in both the gas phase and aerosol particles are still
not well understood due to the situation that the key and specific species such as HOI, ICl, IBr,
etc., remain undetected.
The more widely used method for the sampling of gaseous iodine species in atmosphere typically involves a front-filter to remove particulate iodine followed by an impregnated filter or alternative aqueous solution that captures gaseous iodine. However, during collection the filteradsorbent technique is subject to many artifacts resulting from particle to gas and gas to particle
conversion reactions as well as the retention of gaseous iodine on the pre-filter either directly on
the filter material or on concurrently collected particulate matter. Obviously, a convenient, highly
selective, sensitive and wide weather adaptable approach would be beneficial in studies involving gaseous iodine species.
Diffusion denuder which is capable of gas-particle differentiation has already become a powerful
and particularly attractive approach for isolation and enrichment of analytes in air. This convenient technique with minimizing artifacts has been widely utilized for sampling both inorganic and
organic analytes in the atmosphere. Unfortunately, however, little attention was made to iodine.
In this work, a cylindrical denuder coated inside with α-cyclodextrins/I- was utilized for collection
of gaseous molecular iodine and the 1,3,5 -trimethoxybenzene coating was applied to the gaseous iodine monochloride collection, respectively. Furthermore, the denuder systems connected
in series have been used successfully to the separation of I2 and ICl in the mixture.
60
Fig. 1. Scheme of the reaction and transformation of iodine-containing species in the MBL
The effects of different denuder coatings were investigated for sampling of I2 and ICl (Table 1).
Theoretically, the combined process of isolation and enrichment of analytes can directly proceed
from the original matrix: analytes present in the gaseous phase diffuse substantially fast through
the laminar flow to the active collection surfaces and then retained by irreversible adsorption or
chemical bonding on the sorption medium. In practice, however, the collection efficiency of denuder depends significantly on the coating material. At the beginning of this work N, N dimethylaniline, a electrophilic aromatic substrate which was thought to respond to rapid iodination (within 1 min) and be suitable for the derivatisation of iodine in aqueous solution, was used.
But the collection efficiency was much lower than the theoretically calculated value for both the I2
and ICl. It is probably due to the low rates of reaction between gaseous I2/ICl and N, N dimethylaniline in the solid-phase. And those I2/ICl molecules which diffused to the inner wall of
denuder but had not reacted enough with the coating then escaped from the tube with the gas
flow. Since methoxy substituents enhance aromatic donors, we then focused our attention in this
study on the behavior of various methoxy, dimethoxy and trimethoxybenzenes towards ICl. Anisole and 1, 4 -dimethoxybenzene showed no improvement in collection efficiency (less than
10%), even with a large excess of the coating. 1, 3, 5 -trimethoxybenzene, the most activated
toward electrophilic substitution among the methoxy-substituted benzene derivatives, had a positive influence on ICl collection efficiency in denuder with an efficiency close to the expected
theoretically calculated one, at a gas flow rate of 350 mL/min. On the basis of these results, 1, 3,
5 -trimethoxybenzene was further tested.
a
Table 1. The Coated Absorption Mediums Examined for the Gaseous Iodine and Iodine Monochloride
Coating
Derivative
Collection efficiency
(%)
ICl
I2
N, N -Dimethylaniline
4 -Iodo-N, N -dimethylaniline
2.1
0.4
Anisole
4 -Iodoanisole
1.6
N.D.b
1, 4 -Dimethoxybenzene
2 -Iodo -1, 4 -dimethoxybenzene
5.5
N.D.
1, 3, 5 -Trimethoxybenzene
2 -Iodo -1, 3, 5 -trimethoxybenzene
99.4
1.2
-cyclodextrins
N.D.
22.5
29.1
98.2
–cyclodextrins/Ia
-1
Gas flow rate: 350 mL min
b
Not Detected
61
It has been well known that starch and starch derivatives react with elemental iodine in a unique
fashion and that this sensitive and specific reaction has been routinely used in analytical chemistry. -cyclodextrin as an enzyme modified starch derivative is reputed to form very stable inclusion complexes with elemental iodine in the presence of water. It was then selected as denuder
coating to collect gaseous molecular iodine. The collection efficiency was less than 25% when
-cyclodextrin was used as the sole coating but rose to 98.2% when certain iodide ion was added
to the coating. The latter efficiency is close to the expected theoretically calculated value. It is
evident that the iodide ion is essential in initiating complexation between iodine and
cyclodextrin. We therefore suggest that iodide ion is an important factor for the molecular iodine
collection in the absence of water.
At constant temperature, the flow rate of air through the denuder is the only factor affecting its
colledtion efficiency according to the Gormley-Kennedy equation. The collection efficiency for I2
and for ICl as a function of air flow rate was then tested. Experimental values of collcetion efficiency for both I2 and ICl agree well with values calculated from the Gormley-Kennedy equation
in the range of air flow rate of 300-1800 mL/min (Fig.2).
Collection efficiency (%)
100
90
80
ICl (Theoretical)
ICl (Experimental)
I2 (Theoretical)
70
60
I2 (Experimental)
50
40
30
400
800
1200
1600
2000
2400
-1
Gas Flow rate (mL min )
Fig. 2. Dependence of the denuder collection efficiency on gas flow rate
The coating materials selected in this work are sensitive and suitable for the analysis of gaseous
I2 and ICl, respectively. Meanwhile, it also should be noted that 1, 3, 5 –trimethoxybenzene was
highly selective to ICl with low interference from molecular iodine (Table 1). In view of the property of gas-particle differentiation of denuder, the methods developed in this work will help make
clear about the transformation of iodine species and their partition fraction in both the gas phase
and aerosol particles in the modeling study. This work is currently in progress in our laboratory.
Dauer der Promotion
June 2006
Ru-Jin Huang, Thorstern Hoffmann. An Analytical study of a cylindrical chemosorptive denuder
for sampling of gaseous iodine and iodine monochloride, GRK evaluation, October, 2006
62
The research work was in cooperation with other colleagues in the research group of Prof. Dr.
Thorsten Hoffmann within the Graduiertenkolleg.
• 28. 08 - 01.09.2006 Course “Trace Analysis of Elemental Species: Metallomics and Metalloproteomics” of Prof. Dr. Ryszard Lobinski, CRNS Pau, France
-Alter bei Eintritt in das Graduiertenkolleg
26
63
Stipendiat: Senchao Lai
Iodine speciation in atmospheric aerosols in marine boundary layer
Atmospheric aerosols play an important role in determining the earth’s radiative budget, climate
change and air quality levels. Ocean covers more 70% of the surface of the earth. The aerosol
coming from the marine boundary layer (MBL)attracts more attention and raises more interests
of the researchers especially the new particle formation process from the natural sources.
Therein, iodine in the marine atmosphere has received considerable attention within the last few
years. The current understanding is that volatile iodine precursors, such as diiodomethane or
even molecular iodine are released by marine algae into the atmosphere, where they are rapidly
photolyzed during daytime and form low volatile iodine oxides which finally self-nucleate. However, many open questions remain although numerous studies have been done to investigate
the release mechanism of the volatile iodine compound from phytoplankton, the preliminary
speciation of iodine in aerosol, sea-air iodine cycling and so on. The objective of my work is to
develop analytical methods for iodine speciation in the aerosol in MBL as well as their influence
to marine aerosol formation process. Therefore, sampling, identification and quantification of
those iodine species have become necessary for the understanding of atmospheric iodine chemistry in MBL.
Fig. 1 Chemical pathways from gaseous iodine to particle phase iodine
In order to obtain spot aerosol samples, onshore and offshore campaigns have been performed
during June to July 2006. At Mace Head Atmospheric Research Station, Ireland, a high volume
PM10 (aerosol with aerodynamic diameter lower than 10 8m) sampler, a virtual impactor PM2.5
(aerosol with aerodynamic diameter lower than 2.5 8m) sampler, a preseperator PM2.5 sampler
and a 5-stage cascade sampler, namely Berner Impactor with fractionated sizes of 0,085-0,25,
0,25-0,71, 0,71-2,0, 2,0-5,9, 5,9-10 8m, were used to take PM2.5 marine aerosol samples and
size fractionated particles simultaneously. Offshore sampling with one virtual impactor PM2.5
sampler, a preseperator PM2.5 sampler was conducted at Celtic Explorer scientific vessel on the
North Atlantic Ocean to collect PM2.5 samples.
64
After sampling, ultrasonic assisted water extraction and Tetra-methyl-ammonium Hydroxide
(TMAH) extraction were applied to collect water soluble iodine species and non-water soluble
iodine in the filter samples. Total water soluble iodine and non-water soluble iodine were measured by Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry (ICP-MS). A new online analytical technique of Gel Electrophoresis coupled (GE) with ICP-MS was developed for iodide and iodate
separation and accurate quantification in marine aerosol. 129I isotope dilution was used in all iodine quantification with ICP-MS. Detection limits are 0.1 ng/ml for ICP-MS and GE-ICP-MS (expressed as iodine) iodine measurements, respectively.
Aerosol Sample at Filter
Water
Extraction
Non-water soluble
species at filter
TMAH
Water soluble species
in solution
Extraction
Non-water soluble
species in solution
Isotope
Isotope
Dilution
Dilution
Gel Electrophoresis
coupled with ICP-MS
ICP-MS
Other Iodine
Isotope
Dilution
-
Total soluble Iodine
=
I- and IO3-
Soluble organic iodine
Total Iodine
Fig. 2 Procedure for sample pre-treatment and measurement
The observed total iodine concentration in PM2.5 varied from 10.58 to 100.20 ng/m3 during the
offshore campaign on North Atlantic. At Mace Head station, higher total iodine was found with a
range of 7.77-97.47 ng/m3 in PM2.5 samples. However, very low concentrations of iodate and
iodide were found in PM2.5 samples in both campaigns. Iodide concentration was in the range
of 0.26-5.57 ng/m3 in PM2.5 in open Atlantic Ocean atmosphere and 0.93-6.00 ng/m3 at Mace
Head station. Iodate concentrations were lower than iodide concentrations in all PM2.5 samples
with the range of n.a. -0.44 ng/m3 during Celtic Explorer Campaign and 0-7.15 ng/m3 during onshore campaign. Molar ratio of iodate/iodide was in the range of 0-0.33 with the median of 0.10
in the North Atlantic oceanic air while it was in the range of 0-0.67 with the median of 0.24 at
Mace Head. The relatively high iodide compared to iodate is similar to other findings in Atlantic
Ocean or onshore sites and is believed to be the opposite due to iodide recycling reactions and
accumulation of iodate in aerosol particles as it ages. Consequently, these results raise serious
questions about the current understanding of aerosol iodine chemistry that iodate always is
thought to be the predominate iodine specie in marine aerosol.
80
-
I
SOI
13.06.2006
04.07.2006
3
02.07.2006
16.06.2006
20
05.07.2006
Day Night
04.07.2006
60
40
20
0
Day
ht
Nig
n
oo
ern
Aft
g
rnin
Mo
Day Night
25.06.2006
ht
Nig
n
oo
ern
Aft
g
rnin
Mo
Day Night
80
ht
Nig
n
oo
ern
Aft
g
rnin
Mo
Day Night
Other I
01.07.2006
ht
Nig
on
rno
Afte
g
rnin
Mo
Day Night
SOI
100
Concentration (ng/m )
3
40
Day Night
-
IO3
23.06.2006
01.07.2006
0
-
I
25.06.2006
60
Concentration (ng/m)
120
-
IO 3
Other I
Fig. 3 Iodine species in PM2.5 during Celtic Explorer campaign Fig. 4 Iodine species in PM2.5 at
Mace Head
65
Water-soluble organic iodine and non-water-soluble iodine were the dominate iodine contents in
the onshore and offshore samples. Although organic iodine presence in aerosol samples has
been shown in former researches, interesting results also have been found in this study. Variable soluble organic iodine was obtained with the percentage from 16.4% to 80.4% in offshore
samples and from 7.1% to 99.6% in onshore samples. Although no clear speciation has been
done in water-soluble organic iodine, this finding still brings more peradventure concerning to the
complexity of the atmospheric iodine reactions because atmospheric iodine chemistry models
currently do not include any aerosol-phase reactions with organic substances.
1.0
0.5
1.2
Day Concentration (ng/m )
Day Concentration (ng/m )
1.5
0.8
0.4
1.0
0.5
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
1
2
3
4
1.2
0.0
5
0.0
Fig5. Size distribution of iodide
02.07.2006
01.07.2006
3
3
04.07.2006
Night Concentration (ng/m )
Night Concentration (ng/m )
02.07.2006
01.07.2006
3
3
1.5
0.0
04.07.2006
0.8
0.4
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
0.0
Fig 6. Size distribution of Iodate
Size distribution information were also investigated in this study by the 5-stage cascade sampler
(Berner Impactor) with the cut-size increasing from stage 1 to 5. Fine particles are collected in
stage 1-3 (lower than 2 8m) and coarse particles are distributed in stage 4-5 (2-10 8m). Our results show that more iodide resided in fine particles while iodate was clearly presented in the
coarse ones. Obviously, daytime samples shows more evident distribution trend than night time
ones. Even though, more hot-spot samples and more detail knowledge about the particle growth
process and iodine transformation are still necessary for future estimation on the size distribution
of different iodine species.
Since interesting results have been found in this study, new analytical techniques is still expected to applied in the iodine speciation such as HPLC-ICP-MS for water-soluble organic iodine
speciation. Furthermore, for further understanding of the whole mechanism for iodine-containing
emission and their role in particle formation process, more filed measurements and laboratory
experiments are still needed in the future.
Dauer der Promotion
October 2005
S. Lai, J. Heilmann, W. Brüchert, A. Helfrich, J. Bettmer, T. Hoffmann. Iodine speciation in marine
aerosol by inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS). Poster presentation at the 40th Deutschen Gesellschaft für Massenspektrometrie (DGMS), Bremen, Germany, March 2007.
W. Bruchert, A. Helfrich, N. Zinn, T. Klimach, M. Breckheimer, H. Chen, S. Lai, T. Hoffmann, J.
Bettmer. Gel Electrophoresis Coupled to Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry Using SpeciesSpecific Isotope Dilution for Iodide and Iodate Determination in Aerosols. Analytical Chemistry. In press.
2007
66
S. Lai, T. Hoffmann. Oral presentation in MAP Year 1 Review Meeting. Nov, 2006, Galway, Ireland.
S. Lai, T. Hoffmann, J. Heilmann, W. Brüchert, A. Helfrich, J. Bettmer, Determination of Iodine Species in the Marine Aerosol using Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry (ICP-MS), GRK evaluation, October, 2006
S. Lai, N. Springer, H.Chen, J. Heilmann, W. Brüchert, A. Helfrich, N. Zinn, J. Bettmer, T. Hoffmann,
Poster in 34th International Symposium on Environmental Analytical Chemistry (ISEAC 34), Hamburg,
Germany, June, 2006
S. Lai, H.Chen, T. Hoffmann, J. Heilmann, W. Brüchert, A. Helfrich, N. Yinn, J. Bettmer. Determination of iodide and iodate in the marine aerosol bz online coupling of gel electrophoresis and inductively
coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS), Poster presentation at the 39th Deutschen Gesellschaft für
Massenspektrometrie (DGMS), Mainz, Germany, March 2006
The research work was realized in cooperation with the research groups of Prof. Heumann/PD
Bettmer within the Graduiertenkolleg. Senchao Lai closely cooperated with Jens Heilmann, Wolfram Brüchert and Andreas Helfrich(also GRK-PhD students) for iodine measurement using ICPMS.
•
28. 08 - 01.09.2006 Course “Trace Analysis of Elemental Species: Metallomics and
Metalloproteomics” of Prof. Dr. Ryszard Lobinski, CRNS Pau, France
•
18.08 - 22.09.2006 Course ”Element Species Determination by LC-ICP-MS Hyphenated
Methods” of Dr. Ralf Krüger, University of Mainz
•
21. 12. 2006 Course “Presentation and Presentation techniques” of Dr. Claus Ascheron,
Springer-Verlag.
Weitere Betreuer: PD Dr. Jörg Bettmer
A four-week sampling campaign at Mace Head Atmospheric Station in Ireland has been joined in
June-July, 2006, which is part of the European Union funded international project named Marine
Aerosol Production from Natural Sources (MAP).
27
67
Assoziierte Doktorandin: Nicola Springer
Entwicklung einer Methode zur Bestimmung von Iodispezies in maritimen Umweltproben mit GC/MS
In der marinen Atmosphärenchemie wird seit einigen Jahren der Einfluss von Iod und seinen
Verbindungen diskutiert und zunehmend bestätigt. Speziell im Bereich der Partikel-neubildung
spielen Iodverbindungen eine große Rolle. Der Iodgehalt ist in neugebildeten Partikeln deutlich
höher als in Meerwasser, so dass auf jeden Fall eine Anreicherung von Iod stattfindet.
Flüchtige Iodorganische Verbindungen wie CH3I, CH2I2 u.a. werden vermutlich durch die
Verstoffwechslung von Iodid und Iodat aus Meerwasser von Algen und Phytoplankton freigesetzt
(siehe Figur 1). Diese Verbindungen werden von dem Meerwasser an die marine Luft abgegeben. Durch Photolyse können diese Verbindungen zu Iodradikalen zersetzt werden. Diese Quelle von reaktivem Iod wird wiederum mit dem, in der Luft enthaltenen Ozon reagieren.
O3
O2
Niedersc hlag
(Regen & Aerosol)
Quelle von
reaktivem Iod
Bakterien/
Phytoplankton
Iod-sammelnde
Makroalgen
Figur 1: Der Iodcyclus in maritimer Umgebung
Exemplarisch sind in Figur 2 mögliche Reaktionswege von CH2I2 beschrieben. Aus den enstehenden Iodradikalen können verschiedene Iodoxoverbindungen gebildet werden. IO gilt als
Ausgangsverbindung für verschiedene Iodoxide und konnte bereits in der Natur nachgeweisen
werden. Es kann mit IO reagieren und OIO bilden, auch I2O2 ist ein mögliches Produkt. Alle diese Iodoxide haben eins gemeinsam und das ist ihre geringe Flüchtigkeit. Aus diesem Grund sind
sie prädestiniert für die Bildung von Aerosolpartikeln. Zur Zeit findet in diesem Bereich in diversen Gruppen Forschung statt, um auch höhermolekulare Iodoxide zu identifizieren, die auch eine Rolle bei der Bildung von Partikeln spielen können.
Die Rolle von elementarem Iod ist bei der Bildung von Iodoxiden noch nicht geklärt. Diesem
Zweig der komplexen Iodchemie in der Atmosphäre spielt auch dieser Doktorarbeit eine große
Rolle. I2 konnte in der marinen Atmosphäre von verschiedenen Gruppen nachgwiesen werden,
jedoch ist der Einfluss auf die Partikelbildung bisher nicht geklärt.
68
HOI
h
Aerosol
OH
OH
HO2
CH2I2
h
O3
I
h
IO
IO
h
I2O2
IO
IO
IO
I
I
OIO
h
h
I2
Reaktion
Photolyse
Aerosol Bildung
I2O
Figur 2: Mögliche Reaktionen von CH2I2 und I2 in der Atmosphäre
Im Rahmen meiner Doktorarbeit wird eine Methode zur Bestimmung von Iodid, Iodat und elementarem Iod mittels GC-MS so weiterentwickelt, dass sie für die Analyse von Iodid und Iodat in
Meerwasser, sowie Iod in Luft geeignet ist.
Diese Methode wurde dann für die Analyse von Realproben verwendet, die im Rahmen einer
europäischen Messkampagne (MAP) im Sommer 2006 gesammelt wurden.
In der Literatur wird eine Methode zur Bestimmung von Iod, Iodid und Iodat in wässriger Lösung
beschrieben (Mishra, Analyst, 2000, 125, 459-464).
Iodat wird zunächst mit Ascorbinsäure zu Iodid reduziert. Iodid wird mit Iodosobenzoat zu Iod
oxidiert. Das elementare Iod reagiert dann über eine elektrophile aromatische Substitution mit
N,N-Dimethylanilin selektiv zu 4-Iodo-N,N-dimethylanilin.
Die beschriebene Methode kann für Iodid und Iod in wässriger Lösung z.B. Meerwasser übernommen werden. Für die Bestimmung von Iodat ist jedoch diese Methode ungeeignet. Anstatt,
wie beschrieben, Ascorbinsäure zur Reduktion zu verwenden, wird NaHSO3-Lösung verwendet.
Lineare Kalibrierkurven konnten für bis zu einigen 8g Iod in Lösung erhalten werden. Die Steigung der Iod und Iodidgeraden unterscheiden sich kaum, während die Gerade der IodatKalibration eine größere Steigung aufweist.
69
1,75
Iod
Iodid
Iodat
1,50
relative Fläche
1,25
1,00
0,75
0,50
0,25
0,00
0
1
2
3
4
5
6
molare Menge Iod / nmol
Figur 3: Kalibrationsgeraden für Iodid und Iodat
Zur Bestimmung von elementarem Iod in Luftproben sollte eine GC/MS-Methode entwickelt
werden. Es ist bereits eine Methode beschrieben in der Denuder verwendet werden, die mit
Stärke beschichtet sind. Anschließend erfolgt eine Analyse mit ICP-MS. Es wurde nach Alternativen gesucht. Hierfür wurden Denuder untersucht, die mit -Cyclodextrin ( -CD), oder randomnly methylated -Cyclodextrin (RAMEA)beschichtet waren.
Durch die beschichteten Deunder die Luft mit einer Pumpe gesaugt (siehe Figur 4). Theoretische bildet das Iod dann mit der Stärke oder dem Cyclodextrin einen Komplex und bleibt damit
in dem Denuder hängen.
starch
L = 50 cm
Dj = 6m m
Pump
Denuder (brownglas tube)
500m L / m in
Figur 4: Aufbau zur Probennahme von iodhaltigen Luftproben.
Nach Beendigung der Probenahme wird der Iod-Stärke-Komplex bzw der Cyclodextrin-IodKomplex mit Wasser aus dem Denuder gespült und auf verschiedene Art und Weise derivatisiert.
Wird Stärke verwendet, dann muss diese zunächst zerstört werden, bevor eine Deivatisierung
erfolgen kann. Man kann dies durch Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH) erreichen oder die
Stärke von dem Enzym Amylase selektiv in seine Bestandteile zerlegen lassen. Es hat sich gezeigt, dass die Sensitivität bei der Verwendung von Amylase deutlich höher ist. Das liegt vermutlich daran, dass eine deutlich niedrigere Temperatur (38°C) nötig ist, als bei der Verwendung
von TMAH (90°C). Es wird also weniger Iod durch Verdampfen verloren gehen.
Die Verwendung von RAMEA und -CD stellen für eine Langzeitprobennahme keine Alternative
dar. Die Derivatisierung ist zwar direkt aus der Lösung möglich, allerdings wird das Iod nicht
permanent in den Sorbentien gebunden, sondern kann z.B. durch Luft oder Stickstoff ausgewaschen werden.
70
Stand der Promotion
Promotion wird bis voraussichtlich im Mai 2007 abgeschlossen
Dauer der Promotion
Beginn der Promotion Mai 2004, voraussichtlicher Abschluss Mai 2007
Keine finanzielle Förderung durch das Graduierten Kolleg
Analytical speciation of biogenic iodine precursors and their importance in new particle formation in the
marine boundary layer, 1st French-German Summerschool, Ile D´Oleron, 19.September- 01. Oktober 2004
(Poster)
Entwicklung eines gaschromatographischen Verfahrens zur Iodspeziation in aquatischen und
partikulären Umweltproben, Jahresveranstaltung des Graduierten Kollegs, Ebernburg, 04.-05.
November 2004 (Vortrag)
Biogenic iodine compounds in environmental samples and their determination by GC-MS, Deutschen
Gesellschaft für Massenspektrometrie (DGMS), Rostock, 06.-09. März 2005 (Poster).
Application of gaschromatographie for iodine speciation in gas, liquid and particle phase of environmental samples, Workshop des Graduierten Kollegs, Mainz, 29.-30. September 2005 (Poster)
Determination of iodine, iodide and iodate in environmental samples by GC-MS, Deutschen Gesellschaft
für Massenspektrometrie (DGMS), Mainz, 05.-08. März 2006 (Poster).
Iodspeziation in maritimen Umweltproben mit GC/MS, ANAKON, 29. März 2007 (Vortrag)
Es wurde mit der Gruppe von Prof. Dr. Heumann / Priv. Doz. Bettmer kooperiert. Die Verwendung eines CE-ICP-MS-Systems wurde anhand von realen Meerwasserproben überprüft. Es
wurden Iodproben aus Stärke-Denudern mit einer ICP-MS-Methode gemessen.
1) 26. - 30. Juli 2004, "Analytische Qualitätskontrolle“, gehalten von Prof. Dr. Wolfhard
Wegscheider, Montanuniversität Leoben / Österreich.
2) September 2006, „Mettalomics – Metalloproteomics“, gehalten von Prof. Dr. R. Lobinski
Betreuer: Prof. Thorsten Hoffmann
71
4-wöchiger Forschungsaufenthalt auf einem Forschungsschiff im Rahmen des europäischen
Projekts MAP (Marine Aerosol Poduction) im Juni und Juli 2006
24
72
Stipendiat: Sören Zorn
Development of Quantitative Single Particle Mass Spectrometry for the Speciation of Iodine Compounds in the Marine Aerosol
Betreuer: Dr. Frank Drewnick
Aerosol particles are a very important part of the atmosphere, especially in the troposphere.
They are essential for cloud formation, but are also very important for the radiation budget,
which they affect directly by absorption, reflection, and scattering of electromagnetic radiation or
indirectly by changing cloud characteristics.
Although research on atmospheric particles has been performed for a long time, because of the
complexity of the fundamental physical and chemical processes behind them many questions
are still open.
In recent studies organic and inorganic vapors emitted from marine biota have been connected
to formation of new aerosol particles in the marine boundary layer. Halocarbons, especially
compounds inheriting iodine, are suspected to be responsible for particle nucleation.
Iodine chemistry of the ocean and the marine boundary layer to current knowledge seems to be
very complex (see Figure above). Organic and molecular iodine produced by algae and bacteria
in seawater are emitted into the ocean or directly into the atmosphere. Although iodocarbons are
available in higher levels than inorganic iodine, molecular iodine and iodine oxides seem to be
73
mainly responsible for particle formation. Therefore it is believed that organic iodine reacts with
ozone to become a precursor for inorganic iodine.
Since the fundamental processes and the role of the individual species in these nucleation
events are scarcely understood, methods that allow the investigation of chemical and microphysical processes during these events are desperately needed.
The approach of this work is the use of the Aerodyne High-Resolution Time-of-Flight Aerosol
Mass Spectrometer (HR-ToF-AMS), a state-of-the-art aerosol mass spectrometer which is capable of on-line measurement of aerosol composition and particle size.
With the HR-ToF-AMS (see Figure below) it is possible to collect mass spectra of aerosol particle ensembles and individual particles in a size range from approximately 40 – 800 nm with high
mass resolution (up to 5000). In addition the size-resolved aerosol composition can be determined with this instrument.
MCP detector
ion reflector
preamp
PC
averaging
10-7 hPa
ADC
HV pulser
timing controller
orthogonal
extractor
aerosol inlet
(aerodynamic lens)
chopper
10-7 hPa
particle TOF
measurement
1000 hPa
T
T
turbo molecular pumps
aerosol vaporizer
fila-
ionization
chamber
T
Since the AMS evaporates the particles on a hot surface prior to chemical analysis, it can only
detect the non-refractory components in the atmospheric aerosol. In a first step of this work it
had to be proven that this instrument is capable to measure various iodine compounds.
In laboratory experiments aerosol particles of different inorganic iodine compounds like
•
•
•
•
•
Sodium Iodide
Sodium Iodate
Potassium Iodide
Potassium Iodate
Zinc Iodide
NaI
NaIO3
KI
KIO3
ZnI2
74
were generated and successfully detected by the AMS, showing that this instrument is potentially capable to measure these species.
Since we are especially interested in the composition of single aerosol particles, furthermore experiments were conducted in which different aerosols of well known composition were generated in the laboratory and single particle information of these particles were collected to characterize the single particle analysis capability of the HR-ToF-AMS. First approaches to detect single particle signal events in the HR-ToF-AMS data stream were developed (see Figure below).
In addition a first version of a single particle analysis software is under development and continuous improvement.
In cooperation with Prof. Dr. Thorsten Hoffmanns group laboratory experiments have been performed in preparation for a field measurement campaign.
This first evaluation, the OOMPH (Organics over the Ocean Modifying Particles in both Hemispheres) ship campaign is currently taking place in the southern Atlantic and Indian Ocean
(January – March 2007). During this campaign, which is also been carried out together with the
group of Prof. Hoffmann, it was until now possible to collect more than five weeks of continuous
data of the marine aerosol. This data still has to be analyzed but looks very promising up to now.
Beginn der Promotion:
Februar 2006
Während des Berichtszeitraumes entstandene Vorträge und Publikationen
- S. Zorn, F. Drewnick, S. Borrmann: Development of Quantitative Single Particle
Mass Spectrometry for the Speciation of Iodine Compounds in the Marine Aerosol;
Evaluation of International Research Training Group (Graduiertenkolleg) 826,
October 2006
75
- S. Zorn, F. Drewnick: Single Particle Species Analysis of Halogen Compounds in
Marine Aerosols with the Aerodyne TOF-AMS; Oral presentation on GRK-Seminar
Ebernburg, June 2006
Zusammenarbeit mit anderen Projetken des GRK:
This work was realized in close cooperation with Andreas Kürten and Matthias
Ettner-Mahl (former GRK-PhD students), group of Prof. Borrmann. Laboratory
experiments were also performed together with Nicola Springer (GRK-PhD
associate) and Mattias Schott, both in Prof. Hoffmanns group. The OOMPH ship
campaign was planned and carried out together with the research group of Prof.
Hoffmann.
28.08.2006-01.09.2006: Course: “Trace Analysis of Elemental Species: Metallomics
and Metalloproteomics”, Prof. Dr. Ryszard Lobinski, CRNS Pau, France
Betreuer:
Weitere Betreuer:
Dr. Frank Drewnick
Prof. Dr. Thorsten Hoffmann, Prof. Dr. Stephan Borrmann
Auslandsaufenthalte:
As a participant in a three month ship campaign in the Southern Atlantic and the
Indian Ocean on board of the Marion Dufresne, a French research vessel, which is
part of an international project funded by the European Union named Organics
over the Ocean Modifying Particles in both Hemispheres (OOMPH).
29
76

Bericht 2006 - grk 826 - Johannes Gutenberg

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