Nano auf der Speisekarte

Nanomaterialien

von Prof. Dr. Klaus Günther, Annika Hirtz, Markus Witzler, Fabian Küllmer

Technisch hergestelltes Nanomaterial hat längst Einzug in unsere ­Lebensmittel und verbrauchernahen Produkte erhalten. Nano-Silizium­dioxid wird für die Fließfähigkeit von Ketchup oder als Rieselhilfe in Salz und Gewürzen eingesetzt, Nano-Titandioxid verleiht Schokolade dauerhaften Glanz, Silber-Nanopartikel dienen der Verbesserung der Haltbarkeit verschiedener Lebensmittel und deren Verpackungen. Nanopartikel ­können unbeabsichtigt bei herkömmlichen Herstellungsprozessen ­entstehen oder gezielt hergestellt und zugesetzt werden. Doch wo sind die Nanopartikel zu finden?

Doch wo sind die Nanopartikel zu finden?

Sind die gesundheitlichen ­Risiken und die Verbreitung in der Umwelt bereits ausreichend beschrieben? Und nicht zu vernachlässigen: Was sind eigentlich Nanopartikel? Um diese Fragen zu klären, kommt man nicht ohne verlässliche Analysen­methoden aus. Das Institut für Lebensmittelchemie an der Universität Bonn beschäftigt sich mit der direkten Analyse von Nano­partikeln in ­Lebensmitteln durch Single-particle-ICP-MS.

Was sind eigentlich Nanopartikel?

Diese Frage wird in der Europäischen Union intensiv diskutiert – eine endgültige Definition gibt es bisher nicht [1,2]. Teilchen mit einer Größe von 1?–?100?nm (ein milliardstel Meter) haben im Vergleich zum „bulk-Material“ neue, teilweise sehr interessante Eigenschaften, auf denen eine Vielzahl innovativer industrieller Prozesse und Produkte des täglichen Lebens beruhen. Die Größe dieser Partikel verhält sich etwa zu der eines Fußballs wie die des Fußballs zum Durchmesser der Erde. Die vielen eingangs beschriebenen Anwendungsbeispiele zeigen: Die Nano-Branche boomt.

Rechtliche Lage und Verbraucherschutz

Allerdings ist der Einfluss dieser Materialien auf die Umwelt und die menschliche Gesundheit bisher nur wenig erforscht. Die aktuelle Studien­lage schließt eine nachteilige Beeinflussung der Gesundheit nicht aus. Kosmetik mit nanopartikulären Zusatzstoffen muss gemäß der 2013 in Kraft getretenen EU-Kosmetikverordnung noti­fiziert und entsprechend gekennzeichnet werden. In Lebensmitteln muss der Einsatz von ­Nanopartikeln erst seit Dezember 2014 laut neuer EU-Lebensmittelinformations-Verordnung 1169/2011 (LMIV) [3] aus der Zutatenliste hervorgehen, ist aber noch nicht im Sinne einer Nanotechnologieverordnung eingeschränkt. Zur Überprüfung der Kennzeichnung und der toxikologischen Relevanz ist die Analyse von Nanopartikeln in Lebensmitteln sowie Umwelt- und Gewebeproben notwendig. Methoden zur Nanopartikelanalyse sind aber noch wenig ausgereift. Derzeit existieren noch keine Normverfahren für die Analytik von Nanopartikeln, allerdings kann mit bestehenden Analysenmethoden das ubiquitäre Vorkommen von Nanopartikeln bereits nach­gewiesen werden.

Nanopartikelanalytik

Bei der Analyse von Nanopartikeln müssen folgende Parameter berücksichtigt werden: elementare Zusammensetzung, Partikelgröße, Größen­verteilung und Partikelzahl (Konzentration). Konvention ist die Bestimmung des Nanopartikelgehalts anhand der Quantifizierung eines Elements. Dabei muss bekannt sein, um welche Nanopartikel es sich handelt. ­Außerdem wird dabei vorausgesetzt, dass das zu bestimmende Element ausschließlich nanopartikulär vorliegt.

Die Partikelgröße wird in wässrigen Lösungen meistens über DLS ­(Dynamic light scattering; dynamische Lichtstreuung) bestimmt. Außerdem gibt es Röntgenstreuungsanalysen wie z.B. die Kleinwinkelstreuungs-Analyse (SAXS). Diese liefern aus aufgereinigten Nanopartikel­lösungen wichtige Informationen über die dreidimensionale Struktur von nichtkristal­linen Systemen und werden daher bevorzugt zur Charakterisierung von technischen Nanopartikeln eingesetzt. Im Vergleich liefert die DLS schnellere Ergebnisse, die röntgenbasierten ­Methoden zeichnen sich hingegen durch ihre hohe Empfindlichkeit und Spezifität aus. Eine weitere Option sind bildgebende Verfahren, z.B. Transmissionselektronen- oder Rasterkraftmikroskopie. Diese Methoden sind allerdings hinsichtlich der Spezi­fizierung des Zielpartikels limitiert und erfordern Proben mit hoher Partikelzahl, die sich auf einen Probenteller fixieren lassen. Zudem können Größenverteilungen mikroskopisch nur eingeschränkt bestimmt werden. [4]

Trennmethoden

Eine andere Möglichkeit ist die vorherige Auftrennung und Anreicherung von Nanopartikeln. Da es aufgrund der vergleichsweise geringen Ladung von Nanopartikeln zu unspezifischen Wechselwirkungen oder gar irre­versibler Bindung der Moleküle an stationäre Phasen kommen kann, sind Verfahren ohne stationäre Phase wie die Feld-Fluss-Fraktionierung (FFF) und die Kapillarelektrophorese besser geeignet, wobei empfindliche Detektoren eingesetzt werden müssen [5]. Hier ist aufgrund des größeren möglichen Probenvolumens die Feld-Fluss-Fraktionierung gegenüber der Kapillarelektrophorese im Vorteil. Bei elektrophoretischen Verfahren wird außerdem sowohl nach hydrodynamischem Radius als auch nach Ladung getrennt, was die Trennung komplexer macht [4].

In diesem Zusammenhang muss außerdem erwähnt werden, dass sich Nanopartikel in ­Lösung fast nie im thermodynamischen Gleichgewicht befinden; die Zusammensetzung von nanopartikulären Systemen variiert stark in Abhängigkeit vom pH-Wert, von der Ionenstärke oder von Temperatur-/Lichteinflüssen. Durch eine chromatographische Trennung besteht die Gefahr, dass die Nanopartikelzusammensetzung verändert wird.

Die Single-particle-ICP-MS

Mit der Single-particle-ICP-MS (sp-ICP-MS) lassen sich simultan und elementspezifisch sowohl die Partikelkonzentration als auch die Größenverteilung dieser Partikel in einer Probe bestimmen. Außerdem ist eine eindeutige Unterscheidung zwischen nanopartikulärem und ionisch vorliegendem Analyten möglich. Die Methode geht auf Degueldre [6] zurück und wurde in den letzten Jahren weiterentwickelt. [7,8] Grundsätzlich wird bei der ICP-MS (Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma) die Probe zunächst in einer Zerstäuberkammer mit Argongas vernebelt. Das Aerosol wird in ein Argonplasma überführt, wo Analyten getrocknet, atomisiert und ionisiert werden. Die positiv geladenen Ionen werden beschleunigt, über ein Konensystem ­fokussiert und gelangen anschließend in den Massenanalysator und schließlich zum Detektor. In Abbildung 1 wird die sp-ICP-MS mit der klassischen Auswertung der ICP-MS verglichen. Gelöste Ionen gelangen als gleichmäßiger Ionenstrom bis zum Detektor, während Analyten aus Nanopartikeln in Form von Ionenwolken den Detektor ­erreichen.

Klassisch wird innerhalb einer Scan-Zeit ein weiter Massenbereich ­gescannt, sodass verschiedene Elemente detektiert werden können. Die Messzeiten werden als „dwell time“ bezeichnet, die durch die „settling ­time“ unterbrochen werden, in welchen die Quadrupoleinstellungen auf Ausgangszustand zurückgefahren werden.

In der Single-particle-Analyse wird ohne settling time gemessen und ein quasi kontinuierliches Signal erzeugt. Das vom Detektor erzeugte ­Signal wird über die Zeit aufgenommen, wodurch jeder erscheinende Peak einem Nanopartikel aus der Probe entspricht. Die Intensität des Peaks korreliert dabei mit der Größe des Nanopartikels. Aus dem Messprinzip ergibt sich auch, dass die kleinste bestimmbare Nanopar­tikelgröße diejenige ist, bei der sich das Signal noch gerade vom Untergrundrauschen (u.a. gelöste Ionen) abhebt. Die Limitierung der Partikelgröße im unteren Bereich (ca. 20nm) ist die größte Einschränkung der sp-ICP-MS. Diese untere Größenlimitierung wird durch die Empfindlichkeit des Geräts (alle Geräteparameter), die stöchiometrische Zusammensetzung der Nano­partikel und das Konzentrationsverhältnis von gelösten Ionen und Nanopartikeln beeinflusst [4].

Ein großer Vorteil der sp-ICP-MS ist die geringe Nachweisgrenze. So können Nanopartikel noch weit unter der Nachweisgrenze von gelös­ten Ionen gemessen werden, da sich am Detektor nur die Häufigkeit der ­Signale verringert, nicht aber die Signalintensität. Während DLS v.a. bei Partikelkonzentrationen von über 1?mg/L eingesetzt wird, konnten an der Universität Bonn mittels sp-ICP-MS bereits Nanopartikel in Konzentra­tionen im ng/L-Bereich in dotierten Saftproben (Orangensaft, Apfelsaft) direkt ohne Proben­vorbereitung analysiert werden. Abbildungen 2 und 3 zeigen Histogramme einer Apfelsaftprobe, die mit Gold- und Silbernanopartikeln ­dotiert wurde. Es sind deutlich die verschiedenen Partikel­größenverteilungen erkennbar.

Durch die hohe Spezifität, die sehr geringen Nachweisgrenzen und die geringe Matrixempfindlichkeit ist diese Methode sehr gut für die Analytik von Nanopartikeln in Umwelt- oder Lebensmittelproben geeignet, in denen nur sehr geringe Konzentrationen an Nanopartikeln erwartet werden.

Ausblick

Aus der rasanten Entwicklung der Nanobranche, dem Mangel an toxikologischen Studien sowie der neuen Kennzeichnungspflicht ergibt sich ein starker Bedarf nach einer zuverlässigen Analysenmethode für Nanopartikel insbesondere im niedrigen Konzentrationsbereich. Die hierbei vielversprechendsten Methoden beruhen zurzeit auf der ICP-MS – sowohl in Kopplung mit Feld-Fluss-Fraktionierung als auch direkt mittels Single-particle-ICP-MS. Bisherige Ver­öffentlichungen zeigen allerdings noch keine realistische Anwendung in Lebensmitteln. Am Institut für Lebensmittelchemie der Universität Bonn soll an die ersten Versuche angeknüpft und eine validierte Methode für die Analyse von realen Lebensmittelproben mit sp-ICP-MS entwickelt werden.

Literatur
[1] Wiezorek, K. (2014) Deutsche Lebensmittelrundschau, 470–473
[2] Bleeker, E.A.J. et al. (2013) Regul. Toxicol. Pharmacol. 65, 119–125
[3] Europäisches Parlament und Rat, VO (EU) Nr. 1169/2011, betreffend die Information der Verbraucher über Lebensmittel (Lebensmittelinformationsverordnung)
[4] von der Kammer, F. et al. (2012) Environ. Toxicol. Chem. 31, 32–49
[5] Bednar, A.J. et al. (2013) Talanta, 104, 140–148
[6] Degueldre, C. & Favarger, P.-Y. (2003) Colloids Surf. 217, 137–142
[7] Laborda, F. et al. (2011), J. Anal. At. Spectrom. 26, 1362
[8] Mitrano, D.M. et al. (2012) Environ. Toxicol. Chem. 31, 115–121

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