Development of sustainable sample preparation methods for microplastic analysis
The pollution of the environment through microplastics is a topic of high concern, as microplastics could be identified in all environmental compartments, while the ecotoxicological consequences and impacts on human health are still unpredictable. Therefore, assessing the fate of microplastics in the environment utilizing instrumental analytical techniques is a significant part of microplastics research. In this context, reducing the mostly dominant matrix is required to minimize interferences during analysis. However, due to the lack of standardization in microplastic research, several sample preparation methods with variable protocols were developed, hampering cross-study comparisons significantly. Most of these methods still utilize ecotoxicologically harmful chemicals. However, these chemicals can and should generally be avoided in analytical chemistry workflows to align with the principles of a burgeoning research field called green analytical chemistry (GAC).
Despite the growing importance of GAC, its principles are not yet well integrated into microplastics research. Therefore, this thesis primarily focuses on developing sustainable (matrix-reducing) sample preparation methods for microplastic analysis. Therefore, an optimized version of the hydrophobicity-water/air-based enrichment cell for microplastics, called µSEP, is presented and characterized in this thesis. The advantage of µSEP is its greenness by design, as it is based on the hydrophobic adhesion of microplastics to air bubbles inside a water-filled separation column. This means only water and air are required. This thesis presents two new sample preparation methods for µSEP to extend its applicability to microplastics in soils and atmospherically deposited microplastics in moss. The new methods are suitable for the analysis using thermal extraction-desorption gas chromatography-mass spectrometry (TED-GC-MS) and Raman microspectroscopy (μRaman) to achieve a wide range of information about the microplastics in the environment. This includes the microplastic mass concentration, the type of polymers, and the respective particle number, size, and shape. Concerning soils, TED-GC-MS analysis demonstrated that µSEP provides suitable and robust recoveries. Within a sample preparation time of 60 min, for polyethylene terephthalate (PET), an average recovery of 77% ± 11%, for polystyrene (PS), 42% ± 11%, and for polypropylene (PP) 65% ± 12%, was determined. Moreover, µRaman analysis shows that a high separation quality can be achieved. Additionally, the analytical greenness metric approach for sample preparation (AGREEprep) provides evidence that the use of µSEP is beneficial in GAC compared to commonly used sample preparation methods.
Concerning moss, the developed method, named µPEEL (microplastics extraction through exfoliation), includes the exfoliation of microplastics from the moss surface, a sieving step, and the use of µSEP. The application of µPEEL provides robust and appropriate recoveries, a high separation quality, and meets the requirements of GAC. Further, it could be observed that matrix effects like retention time shifts of pyrolysis products can be minimized when µPEEL is applied before TED-GC-MS analysis. Subsequently, µPEEL was applied in the analysis of environmental moss samples. It was investigated if moss could serve as a biomonitoring system for atmospherically deposited microplastics. Within this investigation, synergies between TED-GC-MS and µRaman results could be observed. The same polymer types, such as PET, PP, and PE, could be identified in both cases. Moreover, the results indicate that moss may be a suitable biomonitoring system for atmospherically deposited microplastics as the determined polymer masses, particle numbers, and diversity could be linked to the distance and type of potential microplastic emission sources.
Additionally, this work conducted a review of the existing literature concerning recognized matrix effects and established strategies for their mitigation. The focus here was on using thermoanalytical methods such as TED-GC-MS or pyrolysis gas chromatography-mass spectrometry (py- GC/MS). To that end, already established matrix effect mitigation strategies were critically discussed, and an analytical workflow was proposed that could mitigate a wide range of matrix effects. It is shown that the combination of matrix reduction, thermochemolysis, and standard addition seems to be a suitable approach to minimize matrix effects. Further, it could be observed that using chemicals during sample preparation can induce matrix effects. In conclusion, this thesis presents that the principles of GAC can be considered in microplastic research and that the implementation of GAC principles can also be beneficial for the accuracy of the analysis. Therefore, sustainable sample preparation methods should be considered in the case of standardization in microplastic research.
Die Verschmutzung der Umwelt durch Mikroplastik ist ein Thema von großer Besorgnis, da Mikroplastik bereits in allen Kompartimenten der Umwelt identifiziert werden konnte, während die ökotoxikologischen Folgen und Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit nach wie vor unvorhersehbar sind. Daher ist die Bewertung des Verbleibs von Mikroplastik in der Umwelt unter Verwendung instrumenteller analytischer Techniken ein bedeutender Bestandteil der Mikroplastikforschung. In diesem Zusammenhang ist die Reduzierung der meist dominanten Matrix erforderlich, um Interferenzen während der Analyse zu minimieren. Aufgrund der fehlenden Standardisierung in der Mikroplastikforschung wurden für diesen Zweck verschiedenste Probenvorbereitungsmethoden mit variablen Protokollen entwickelt, was studienübergreifende Vergleiche erheblich erschwert. Zudem basieren die meisten dieser Methoden weiterhin auf der Verwendung von ökotoxikologisch bedenklichen Chemikalien. Allerdings können und sollten diese Chemikalien in den Arbeitsabläufen der analytischen Chemie vermieden werden, um den Prinzipien des aufstrebenden Forschungsfeldes namens green analytical chemistry (GAC) zu entsprechen.
Trotz der zunehmenden Bedeutung der GAC sind ihre Prinzipien noch nicht zureichend in die Mikroplastikforschung integriert. Daher wurde sich in dieser Arbeit hauptsächlich auf die Entwicklung nachhaltiger (Matrixreduzierender) Probenvorbereitungsmethoden für die Mikroplastikanalyse fokussiert. Hierfür wird in dieser Dissertation eine optimierte Version des Mikroplastikseparators μSEP vorgestellt und charakterisiert. Der Vorteil von μSEP ist seine Nachhaltigkeit, da der Separationsmechanismus auf der hydrophoben Adhäsion von Mikroplastik an Luftblasen innerhalb einer mit Wasser gefüllten Trennsäule basiert. Dies bedeutet, dass einzig Wasser und Luft erforderlich sind.
In dieser Arbeit werden zwei neue Probenvorbereitungsmethoden vorgestellt, um die Anwendbarkeit von µSEP auf die Separation von Mikroplastik in Boden sowie auf atmosphärisch abgelagertes Mikroplastik auf Moos zu erweitern.
Diese neuen Methoden eignen sich für die Analyse mittels thermischer Extraktions-Desorptions-Gaschromatographie-Massenspektrometrie (TED-GC-MS) und Raman-Mikrospektroskopie (μRaman), um eine hohe Spannbreite von Informationen über das in der Umwelt vorliegende Mikroplastik zu erhalten. Dies beinhaltet die Mikroplastik-Massenkonzentration, die Polymerart und die jeweilige Partikelzahl, Größe und Form. Für die Untersuchung von Böden, konnte durch die Analyse mittels TED-GC-MS gezeigt werden, dass μSEP die Bestimmung geeigneter und robuster Wiederfindungen ermöglicht. Innerhalb einer Probenvorbereitungszeit von 60 Minuten konnte für Polyethylenterephthalat (PET) eine durchschnittliche Wiederfindung von 77% ± 11%, für Polystyrol (PS) 42% ±11% und für Polypropylen (PP) 65% ± 12% ermittelt werden. Darüber hinaus zeigt die Analyse mittels µRaman, dass eine hohe Separationsqualität erreicht werden kann.
Des Weiteren konnte durch die Verwendung einer metrischen Methode zur Bewertung der Nachhaltigkeit von Probenvorbereitungsverfahren (AGREEprep) gezeigt werden, dass die Verwendung von μSEP im Vergleich zu den üblichen Probenvorbereitungsmethoden hinsichtlich der GAC vorteilhaft ist.
In Bezug auf Moos, umfasst die entwickelte Probenvorbereitungsmethode namens μPEEL (Mikroplastikextraktion durch Exfoliation) die Exfoliation von Mikroplastik von der Moosoberfläche, einen Siebschritt und die Verwendung von μSEP. Durch die Anwendung von μPEEL konnten robuste und geeignete Wiederfindungen und eine hohe Separationsqualität erreicht werden, während die Prinzipien der GAC erfüllt wurden. Darüber hinaus konnte beobachtet werden, dass Matrixeffekte wie Retentionszeitverschiebungen von Pyrolyseprodukten minimiert werden können, wenn μPEEL vor der Analyse mittels TED-GC-MS angewendet wird. Anschließend wurde μPEEL im Hinblick auf die Analyse von Umweltproben angewendet. Es wurde untersucht, ob Moos als Biomonitor für atmosphärisch abgelagertes Mikroplastik dienen kann. Innerhalb dieser Untersuchung konnten Synergien zwischen TED-GC-MS und μRaman Ergebnissen beobachtet werden. In beiden Fällen konnten die gleichen Polymerarten wie PET, PP und PE identifiziert werden. Darüber hinaus deuten die Ergebnisse darauf hin, dass Moos ein geeigneter Biomonitor für atmosphärisch abgelagertes Mikroplastik sein kann, da die bestimmten Polymermassen, Partikelzahlen und die Variation der Polymerarten mit der Entfernung und Art potenzieller Emissionsquellen in Verbindung gebracht werden konnten.
Darüber hinaus wurde in dieser Arbeit eine Literaturstudie in Bezug auf bekannte Matrixeffekte und etablierte Strategien für deren Abschwächung durchgeführt. Hierbei lag der Schwerpunkt auf der Verwendung von thermoanalytischen Methoden wie der TED-GC-MS und der Pyrolyse-Gaschromatographie-Massenspektrometrie (py-GC/MS). Innerhalb der Arbeit wurden bereits etablierte Strategien zur Minderung von Matrixeffekten kritisch diskutiert und ein analytischer Workflow vorgeschlagen, der verschiedenste Matrixeffekte reduzieren könnte. Es wird gezeigt, dass die Kombination aus Matrixreduzierung, Thermochemolyse und Standardaddition eine geeignete Herangehensweise zur Minimierung von Matrixeffekten darstellen kann. Des Weiteren konnte festgestellt werden, dass die Verwendung von Chemikalien während der Probenvorbereitung Matrixeffekte hervorrufen kann. Schlussfolgernd aus dem Erkenntnisgewinn dieser Arbeit ist festzustellen, dass die Prinzipien der GAC in der Mikroplastikforschung berücksichtigt werden können und dass die Umsetzung der GAC Prinzipien auch für die Genauigkeit der Analyse vorteilhaft sein kann. Daher sollten bei der Standardisierung in der Mikroplastikforschung nachhaltige Probenvorbereitungsmethoden in Betracht gezogen werden.