AT527981A1

AT527981A1 - Analyse von Polymermikropartikeln

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Publication number: AT527981A1
Application number: ATA50050/2024A
Authority: AT
Original assignee: Univ Innsbruck
Priority date: 2024-01-24
Filing date: 2024-01-24
Publication date: 2025-08-15
Also published as: WO2025155999A1

Abstract

Verfahren zur Bestimmung der in einem zu untersuchenden Material vorhandenen Menge und Art von Polymermikropartikeln, sowie Methode zur Validierung eines Verfahrens zur Bestimmung der in einem zu untersuchenden Material vorhandenen Menge und Art von Polymermikropartikeln, umfassend den Schritt des Bereitstellens einer Ausgangsmenge an Referenzpolymermikropartikeln auf einem Stempel und Hinzugabe eines Alkalimetallhalogenids, den Schritt des Verpressen der Referenzpolymermikropartikel mit Alkalimetallhalogenid zu einem Pressling.

Description

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ANALYSE VON POLYMERMIKROPARTIKELN

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der in einem zu untersuchenden Material vorhandenen Menge und Art von Polymermikropartikeln, wobei das Verfahren die Schritte e) Entnehmen zumindest einer Analysenprobe vom zu untersuchenden Material, e) Durchführen einer Probenvorbereitung an der Analysenprobe und Bereitstellung eines Messprobe und e) Durchführung einer qualitativen und quantitativen Analyse an der Messprobe zur Ermittlung der Art und Menge an Polymermikropartikeln in der Messprobe umfasst. Die Erfindung betrifft weiters eine Methode zur Validierung eines Verfahrens zur Bestimmung der in einem zu untersuchenden Material vorhandenen Menge und Art von Polymermikropartikeln. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Polymer für das Verfahren und die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung des Polymers.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Bei Polymermikropartikeln (auch Mikroplastik genannt) handelt es sich laut Verordnung (EU) 2023/2055 vom 25. September 2023 um Kunststoffteilchen mit einem Durchmesser von nicht mehr als 5 mm bzw. von nicht mehr als 15 mm, wenn das Verhältnis von Länge zu Durchmesser größer als 3 beträgt. Polymermikropartikel werden häufig aktiv in Konsumgütern wie Kosmetika, Zahnpasta, Reinigungsmitteln usw. eingesetzt oder sie stammen vom Zerfall von größeren Kunststoffgütern. Aufgrund der zunehmenden Umweltbelastung mit Polymermikropartikeln besteht ein Bedarf nach exakten Verfahren, die Menge an Polymermikropartikel in einem Material zu bestimmen, um den Grad der Kontamination zu

ermitteln.

Für die quantitative Bestimmung von Polymermikropartikel in einer Analysenprobe eines Materials gibt es verschiedene Verfahren, die sich in ihrer Methodik und Genauigkeit unterscheiden. Technisch aufwändig ist die Pyrolyse-GaschromatographieMassenspektrometrie, bei welcher die Proben erhitzt werden, um enthaltene Kunststoffe in kleinere Moleküle zu spalten und mittels Gaschromatographie und Massenspektrometrie zu identifizieren. Ebenfalls aufwändig sind mikroskopische Verfahren, bei denen die vorhandenen

Polymermikropartikel identifiziert und gezählt werden. Die gängigsten Verfahren zur Quantifizierung von Polymermikropartikel in Proben sind

Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie und Raman-Spektroskopie, wobei KRaman-

Spektroskopie besonders nützlich ist, um kleinere Polymermikropartikelpartikel zu detektieren.

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Ein Hauptproblem bei der quantitativen Analyse des Gesamtgehalts einer Probe an Polymermikropartikel sind Inhomogenitäten. Diese betreffen die chemische Natur der Kunststoffe in einer Probe, die Verteilung der Polymermikropartikel in einer Analysenprobe und gegebenenfalls auch die Größenverteilung der Kunststoffpartikel an sich. Verschiedene Messmethoden bzw. Einstellungen an den Messgeräten können an denselben Proben

abweichende Messergebnisse liefern.

Als besonders problematisch erweist sich die Größenverteilung und die Dichteverteilung der Kunststoffpartikel in einer Probe. Unterschiedliche Dichten und unterschiedliche Partikelgrößen der Kunststoffpartikel können zu einer unregelmäßigen Verteilung der Kunststoffpartikel in der zu messenden Probe führen. Dadurch besteht die Gefahr, dass das Messergebnis abhängig von der Probenvorbereitung oder vom Punkt der Entnahmestelle der Analysenprobe ist und für unterschiedliche Analysenproben desselben Materials

unterschiedliche Ergebnisse auftreten.

Bislang stellt die Validierung von Messmethoden für die Bestimmung von Polymermikropartikel in Proben eine große Herausforderung dar, was z.B. in Schymanski et al. und Andrade et al. beschrieben wird (Schymanski, D. et al. Analysis of microplastics in drinking water and other clean water samples with micro-Raman and micro-infrared spectroscopy: minimum requirements and best practice guidelines. Anal Bioanal. Chem. 413, 5969-5994 (2021) https://doi.org/10.1007/s00216-021-03498-y und Andrade J. M. et al. Standardization of the minimum information for publication of infrared-related data when microplastics are characterized, Marine Pollution Bulletin, 154, 111035 (2020) https://doi.0rg/10.1016/44.marpolbul.2020.111035).

KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

In analytischen Verfahren ist es grundsätzlich üblich, einen Standard zu verwenden, um Aussagen über die Qualität einer Analyse zu treffen und um Vergleiche zwischen verschiedenen Laboren, Laborausrüstungen und Operatoren zu ermöglichen. Wesentliche Parameter für die Validierung von Analysenmethoden sind z.B. die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse, die Wiederfindungsrate, Limit of Detection (LOD) und Limit of Quantification (LOO), Linearität und andere. Die Gesellschaft für Toxikologische und Forensische Chemie (GTFCh) hat eine Richtlinie zur Qualitätssicherung bei forensisch-toxikologischen

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Untersuchungen herausgegeben, die in Anhang B die „Anforderungen an die Validierung von Analysenmethoden‘“ (Version vom 01.06.2009, gültig ab 01.04.2011, veröffentlicht in Toxichem Krimtech (2009) 76 (3): 185 - 208) beschreibt.

Für die quantitative Bestimmung von Polymermikropartikeln sind derzeit sehr aufwändige Verfahren im Einsatz und es fehlen geeignete Methoden zur Validierung und Kalibrierung. Die fehlende bzw. unzureichende Validierung führt außerdem zu ungenauen Messergebnissen. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher einerseits ein exaktes Verfahren zur Bestimmung der in einem zu untersuchenden Material vorhandenen Menge und Art von Polymermikropartikeln bereitzustellen. Andererseits soll eine Methode zur Validierung eines Verfahrens zur Bestimmung der in einem zu untersuchenden Material vorhandenen Menge und Art von Polymermikropartikeln bereitgestellt werden, um vergleichbare Ergebnisse zwischen

unterschiedlichen Laboren zu ermöglichen.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Bestimmung der in einem zu untersuchenden Material vorhandenen Menge und Art von Polymermikropartikeln,

wobei das Verfahren die Schritte umfasst:

(a) Entnehmen zumindest einer Analysenprobe vom zu untersuchenden Material;

(b) Bereitstellen einer Ausgangsmenge an Referenzpolymermikropartikeln auf einem Stempel und Hinzugabe eines Alkalimetallhalogenids,

(c) Verpressen der Referenzpolymermikropartikel mit Alkalimetallhalogenid zu einem Pressling,

(d) Durchführung einer quantitativen Analyse am Pressling zur Bestimmung der tatsächlichen Ausgangsmenge an Referenzpolymermikropartikeln,

(e) Zugabe des Presslings zur Analysenprobe, gegebenenfalls Zugabe von Wasser und Auflösen des Alkalimetallhalogenidbestandteils des Presslings in der Analysenprobe,

(f) Durchführen einer Probenvorbereitung an der aus Schritt (e) erhaltenen Analysenprobe und Bereitstellung eines Messprobe,

(g) Durchführung einer quantitativen Analyse an der Messprobe zur Ermittlung der Restmenge an Referenzmikropartikeln in der Messprobe und Durchführung einer qualitativen und quantitativen Analyse an der Messprobe zur Ermittlung der Art und Menge an

Polymermikropartikeln in der Messprobe;

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(h) Ermittlung eines Korrekturfaktors aus der Restmenge an Referenzpolymermikropartikeln aus Schritt (g) und der tatsächlichen Ausgangsmenge an Referenzpolymermikropartikeln aus Schritt (d);

Ci) Anwendung des Korrekturfaktors auf die aus Schritt (g) ermittelte Menge an Polymermikropartikeln und Berechnung der tatsächlichen Menge an Polymerpartikel in der

Analysenprobe.

Gelöst wird die Aufgabe auch durch eine Methode zur Validierung eines Verfahrens zur Bestimmung der in einem zu untersuchenden Material vorhandenen Menge und Art von Polymermikropartikeln,

wobei das zu validierende Verfahren die Schritte

e FEntnehmens einer Analysenprobe vom zu untersuchenden Material, e Probenvorbereitung zur Bereitstellung einer Messprobe und e die qualitative und quantitative Analyse an der Messprobe umfasst,

dadurch gekennzeichnet, dass die Methode die Schritte umfasst:

G) Bereitstellen einer Ausgangsmenge an Referenzpolymermikropartikeln auf einem Stempel und Hinzugabe eines Alkalimetallhalogenids,

(ii) Verpressen der Referenzpolymermikropartikel mit Alkalimetallhalogenid zu einem Pressling,

(ii) Durchführung einer quantitativen Analyse am Pressling zur Bestimmung der tatsächlichen Ausgangsmenge an Referenzpolymermikropartikeln,

(iv) Zugabe des Presslings in ein wässriges Medium und Auflösen des Alkalimetallhalogenidbestandteils des Presslings in dem Medium,

(v) Durchführen der Probenvorbereitungsschritte an dem Medium und Bereiten einer Eichprobe,

(vi) Durchführung einer quantitativen Analyse an der Eichprobe und Ermittlung der Restmenge an Referenzpolymermikropartikeln;

(vii) Ermittlung eines Korrekturfaktors aus der Restmenge an Referenzpolymermikropartikeln aus Schritt (vi) und der tatsächlichen Ausgangsmenge an Referenzpolymermikropartikeln aus Schritt (111);

(viii) Durchführen des Verfahrens zur Bestimmung der in einem zu untersuchenden

Material vorhandenen Menge und Art von Polymermikropartikeln;

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(ix) Anwendung des Korrekturfaktor auf die ermittelte Menge der Polymermikropartikel aus der Messprobe des Materials zur Ermittlung der tatsächlichen Menge

an Polymerpartikel.

Im Rahmen der Erfindung wurde herausgefunden, dass mit dem Bereitstellen einer Ausgangsmenge an KReferenzpolymermikropartikeln auf einem Stempel und der anschließenden Hinzugabe von Alkalimetallhalogenid und der nachfolgenden Herstellung eines Presslings, die Quantifizierung der Referenzpolymermikropartikeln im Pressling sehr exakt erfolgen kann. Dieser Pressling kann sodann in eine Analysenprobe oder ein wässriges Medium gegeben werden, um das Alkalimetallhalogenid aufzulösen, sodass sich die Referenzpolymermikropartikel — deren Menge vorher mittels einer quantitativen Analyse am Pressling exakt bestimmt wurde — in der Analysenprobe oder im wässrigen Medium verteilen können. Der Umweg über die Verwendung von Referenzpolymermikropartikel und dem Erstellen des Presslings mit den Referenzpolymermikropartikeln hat mehrere Vorteile. Bei einer quantitativen spektroskopischen Analyse am Pressling kann die Menge an Referenzpartikeln sehr genau bestimmt werden, da das Alkalimetallhalogenid spektroskopische Analysen nicht nennenswert beeinflusst. Außerdem hat die Zugabe der Presslinge in eine Analysenprobe keinen störenden Einfluss auf eine spätere qualitative und quantitative Analyse der Polymermikropartikel. Alkalimetallhalogenid löst sich und wirkt sich auf spätere Messungen nicht negativ aus. Die Referenzpolymermikropartikel in der Analysenprobe oder im wässrigen Medium werden im selben Maße inhomogen verteilt, wie die zu analysierenden

Polymermikropartikel in der Analysenprobe und können daher als Referenz dienen.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren können die Referenzpolymermikropartikel als interner Standard verwendet werden, welche die Probenvorbereitung zur Bereitstellung der Messprobe miterleben. Wenn bei der Probenvorbereitung Verluste an Referenzpartikeln auftreten, können diese ermittelt werden. Die Verluste an Referenzpartikeln sind repräsentativ für die Verluste der Polymermikropartikel, sodass aus dem ermittelten Korrekturfaktor der Verlust an

Polymermikropartikeln durch die Probenvorbereitung kompensiert werden kann.

Bei der erfindungsgemäßen Methode werden die Referenzpolymermikropartikel nicht als interner Standard verwendet, sondern es wird eine Validierung des Verfahrens durchgeführt, indem die Referenzpolymermikropartikel den Schritten der Probenvorbereitung unterzogen

werden. Wenn bei den Schritten der Probenvorbereitung Verluste an Referenzpartikeln

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auftreten, kann dieser Verlust ermittelt werden. Dieser Verluste an Referenzpartikeln ist repräsentativ für die Verluste der Polymermikropartikel, sodass aus dem ermittelten Korrekturfaktor der Verlust an Polymermikropartikeln durch die tatsächliche

Probenvorbereitung kompensiert werden kann.

Man unterscheidet typischerweise drei verschiedene Verfahren unter Verwendung von Standards zum Kalibrieren von Messungen. Verfahren mit internem Standard, externem Standard und mit Standardaddition. Beim ersten Verfahren erfolgt die exakte Ermittlung von Polymermikropartikeln in einer Analysenprobe eines zu untersuchenden Materials durch einen internen Standard. Verluste, die bei der Probenaufbereitung entstehen, werden durch dieses

Verfahren durch Ermittlung eines Korrekturfaktors bestimmt.

Ein interner Standard wird einer Probe in einer bekannten Menge zugesetzt wird, um Messungen genauer zu machen. Der interne Standard sollte chemisch ähnlich, aber nicht identisch zum Analyten sein und sollte in der Probe selbst nicht vorhanden sein, um Messergebnisse nicht zu verfälschen. Ein speziell für das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Methode geeignetes und entwickeltes Polymer wird weiter unten

beschrieben.

Die Referenzpolymerpartikel werden vor Beginn der Probenvorbereitung in einer genau definierten Menge in eine Matrix eingebettet, wobei die Matrix von einem Alkalimetallhalogenid gebildet wird. Beim Alkalimetallhalogenid handelt es sich um ein Salz eines Alkalimetallions mit einem Halogenid, wobei das Alkalimetallion bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe Li”, Na’ oder K” und das Halogenid bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe F”, CI” oder Br’ ist. Besonders bevorzugt ist das Alkalimetallhalogenid Kaliumbromid (KBr).

Ein Pressling aus Kaliumbromid, eignet sich besonders bei spektroskopischen Verfahren, wie Infrarotspektroskopie oder Ramanspektroskopie. Ein Pressling ist eine feste, im Wesentlichen transparente Scheibe, die durch das Pressen von Kaliumbromid (KBr)-Pulver unter hohem Druck hergestellt wird. Kaliumbromid zeigt unter hohem Druck (0,7 bis 1,0 GPa) einen sogenannten Kalten Fluss, sodass es glasartig und transparent wird. Die Wahl der Kaliumbromid-Matrix ist bewusst getroffen, da dieses Salz unter Druck ein transparentes Medium bildet. Dadurch wird es möglich, die Art des Polymers, die Partikelgröße und die

Menge eindeutig zu bestimmen. Zusätzlich zeichnet sich Kaliumbromid durch seine ideale

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Eigenschaft aus, sich sehr leicht in Wasser zu lösen, wodurch die Zugabe der gesamten

Partikelmenge gewährleistet wird.

Zunächst wird eine Ausgangsmenge an Referenzpolymermikropartikeln auf dem Stempel platziert. Dies erfolgt vorteilhaft aus einer Suspension an Referenzpolymermikropartikeln. Das Suspensionsmedium kann z.B. wässrig oder alkoholisch (vorzugsweise ethanolisch) sein. Die Referenzpolymermikropartikelsuspension wird auf einen Stempel gegeben und das Suspensionsmedium wird verdampft. Nach dem —Verdampfen sind die Referenzpolymermikropartikel in einer Ebene auf dem Stempel. Anschließend wird (vorzugsweise getrocknetes) Alkalimetallhalogenid (vorzugsweise KBr) auf den Stempel mit Referenzpolymermikropartikeln gegeben. Unter Anwendung von hohem Druck (0,7 bis 1,0 GPa; z.B. unter Verwendung einer hydraulischen Presse) wird das Pulver zu einer klaren, festen Scheibe gepresst. Bei der Durchführung der quantitativen spektroskopischen Analyse am Pressling zur Bestimmung der tatsächlichen Ausgangsmenge an Referenzpolymermikropartikeln wird die exakte Ausgangsmenge an

Referenzpolymermikropartikeln ermittelt.

Wird KBr eingesetzt, bietet sich als quantitative spektroskopische Analyse bildgebende Infrarot (IR)-Spektroskopie, vorzugsweise Fourier-Transformations-Infrarot (FTIR)-Imaging an. KBr ist im Bereich der Infrarotstrahlung, in dem Messungen durchgeführt werden, transparent. Das bedeutet, dass es das IR-Licht nicht absorbiert und somit ein ideales Medium ist, ohne das Spektrum zu stören. Wenn Infrarotlicht durch den Pressling geht, absorbiert die Probe bestimmte Frequenzen entsprechend der molekularen Struktur der Polymermikropartikel. Bei der bildgebenden IR-Spektroskopie kommt neben dem IR-Spektrometer ein Mikroskop zu Einsatz, das Bereiche der Oberfläche einer Messprobe in Bildpunkten (Pixel) untersucht. Grundsätzlich ist dies für heterogene Proben oder für die Untersuchung spezifischer Bereiche innerhalb einer Probe vorteilhaft. Die resultierenden Spektren werden analysiert, um die eine qualitative und quantitative Analyse an Polymermikropartikeln vorzunehmen. Dabei werden die im Rahmen der bildgebenden IR-Spektroskopie erhaltenen Spektren pro aufgenommenen Pixel mit einer Polymer-Referenzdatenbank abgeglichen, um so die Polymerpartikel zu identifizieren. Somit kann eine qualitative und quantitative Analyse der Polymermikropartikel

auf einer Unterlage wie einem Filter erfolgen.

Auch Raman-Spektroskopie kann eingesetzt werden.

5 Das Verfahren mit internem Standard bietet den Vorteil einer Kalibriertechnik, die unabhängig von der qualitativen und quantitativen Analyse ist. Dies ist besonders nützlich, wenn eine Beeinträchtigung der Messung durch die Matrix erwartet wird. Ein typisches Beispiel dafür sind unbekannte Verluste der Probe während der Probenvorbereitung. Der interne Standard soll nicht mit dem zu analysierenden Analyten identisch sein, sollte aber ähnliche physikalisch

10 chemische Eigenschaften aufweisen.

Für die Referenzpolymermikropartikel hat sich ein Polymer mit Formel I, Formel II oder

Formel II als vorteilhaft erwiesen:

a

Da Ss N m (Formel D, Fomel ID,

(Formel II)

15 wobein, m und o unabhängig voneinander natürliche Zahlen > 1 sind.

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Das Besondere an diesen neuen Polymeren ist ein spezifischer Marker, der es ermöglicht, das Polymer von herkömmlichen (in typischen Materialien auftretenden) Polymermikropartikel zu unterscheiden. Im Unterschied zu Kunststoffen, die typischerweise in Konsumprodukten oder sonstigen Produkten eingesetzt werden, weisen die Polymere gemäß der Erfindung eine ThionGruppe (C=S) auf. Polymere mit Thion-Modifikation kommen nur in wenigen spezifischen Anwendungen zum Einsatz, sodass die Polymermikropartikelbelastung durch solche Polymere vernachlässigbar ist. Im Infrarot lassen sich Thion-Gruppen sehr gut identifizieren, da sie spezifische Absorptionsbanden aufweisen:

® S-H bei einer Wellenzahl von ca. 2600 cm”

e N=C=S bei einer Wellenzahl von ca. 2100 cm‘!

e C=S bei einer Wellenzahl von ca. 1100 cm‘!

Prinzipiell gibt es noch keine Möglichkeit, die Polymermikropartikel-Analytik zu standardisieren, und genau dieses Problem wird in der Literatur kritisiert. Es gibt erste Ansätze durch Verdampfen einer salzhaltigen Polymermikropartikelsuspension (Natalia P. IvIeva; Chemical Analysis of Microplastics and Nanoplastics: Challenges, Advanced Methods, and Perspectives, Chemical Reviews 2021 121 (19), 11886-11936, DOI: 10.1021/acs.chemrev.1c00178). Ringversuche bei diesen Ansätzen zeigen eine quantitative

Abweichung von 20 %.

Die Erfindung betrifft auch ein selbst entwickeltes Polymer mit spezifischen Markern und dessen Einbettung in eine transparente Matrix zur Verwendung als internen Standard für die Analyse von Polymermikropartikel. Dadurch kann der Standard eindeutig von herkömmlichem Polymermikropartikel unterschieden werden und die Einbettung in eine Matrix ermöglicht eine definierte Zugabe. Darüber hinaus können wichtige Kriterien wie Polymertyp und

Partikelgröße eindeutig bestimmt werden.

Die Validierung erfolgt am besten für Polymermikropartikelanalysen mittels FTIRSpektroskopie und / oder Raman-Spektroskopie.

Es ist vorteilhaft, wenn die Größe und Konzentration des Polymers der Formel I, II oder III so gewählt ist, dass sie repräsentativ für die zu erwartenden Polymermikropartikelpartikel in einer Probe sind. Diese Einstellung kann beim Herstellungsverfahren des Polymers und der

entsprechenden Verdünnung eingestellt werden.

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Für beide Verfahren ist es vorteilhaft, wenn die Methode zur qualitativen und quantitativen Analyse von Polymermikropartikeln ein spektroskopisches Verfahren, vorzugsweise FTIR-

Spektroskopie und / oder Raman-Spektroskopie umfasst.

In einem Aspekt der Erfindung ist daher ein Polymer der Formel I, der Formel II oder der

Formel II vorgesehen.

OO N

(Formel DI), (Formel ID),

(Formel II)

wobei n, m und o unabhängig voneinander natürliche Zahlen > 1 sind.

Ein Verfahren zur Herstellung eines Polymers der Formel I, II oder III kann die Schritte umfassen: (A) Bereitstellen einer Mischung aus 1-Vinyl-4-imidazolidin-2-thion (VIT) und einem Divinylbenzol (DVB), und Cellulose, wobei das DVB ausgewählt ist aus der Gruppe

1, 2-DVB für das Polymer der Formel IT,

1,3-DVB für das Polymer der Formel I oder

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einer Mischung aus 1,2-DVB und 1,3-DVB für das Polymer der Formel II (B) Zugabe von Azoisobutyronitril (AIBN) als Radikalinitiator zu der Mischung, (C) Erhitzen der Mischung auf eine Temperatur, die geeignet ist, eine Radikalpolymerisation zu initiieren und aufrechtzuerhalten, (D) _Aufrechterhalten der Temperatur zur Polymerisation;

(E) Abkühlen und Isolation des Polymers.

Bevorzugt ist das Massenverhältnis von DVB (Molekülmasse: 130,18) zu VIT (Molekülmasse: 126,18) im Bereich von 1 : 0,5 bis 1 : 1,5. Daraus ergibt sich

Das Massenverhältnis von DVB zu Cellulose liegt vorteilhaft bei 1: 2 bis 1:4.

Die Polymerisation in Schritt (D) kann bei einer Temperatur im Bereich von 60°C bis 120°C

durchgeführt werden.

Das vorgeschlagene Verfahren nutzt die einzigartigen reaktiven Eigenschaften von Divinylbenzol und Vinylimidazolidin-2-thion in Kombination mit Azoisobutyronitril als Initiator für die Polymerisation. Die Auswahl von AIBN als Initiator basiert auf seiner Fähigkeit, bei erhöhten Temperaturen effizient freie Radikale zu erzeugen, was für die Initiierung der Copolymerisation notwendig ist. Das Verhältnis von DVB zu VIT sowie die Reaktionstemperatur und -zeit sind entscheidend für die Steuerung der molekularen Eigenschaften des resultierenden Polymers, wie z.B. Vernetzungsgrad und damit verbunden

Partikelgröße.

Bevorzugt ist vorgesehen, dass das Massenverhältnis von DVB zu VIT im Bereich von 1 : 0,5

bis 1 : 1,5 liegt.

Zur optimalen Einstellung der Größe des gewünschten Polymers hat es sich als vorteilhaft

erwiesen, wenn das Massenverhältnis von DVB zu Cellulose 1 : 2 bis 1 : 4 beträgt.

Bevorzugt wird die Polymerisation in Schritt (iv) bei einer Temperatur im Bereich von 60°C

bis 120°C durchgeführt.

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Definitionen:

Polymermikropartikel im Sinne der Erfindung sind Kunststoffteilchen in Übereinstimmung mit Verordnung (EU) 2023/2055 vom 25. September 2023 mit einem Durchmesser von nicht mehr als 5 mm bzw. von nicht mehr als 15 mm, wenn das Verhältnis von Länge zu Durchmesser größer als 3 beträgt. Der typische Durchmesser kann zwischen 0,1 um und 5 mm betragen,

vorzugsweise zwischen 1 um bis 5 mm.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Fig. 1 zeigt ein FT-IR Spektrum an einem Pressling mit Referenzpolymermikropartikel.

Fig. 2 zeigt ein FT-IR Spektrum einer qualitativen und quantitativen Analyse an der Messprobe.

Fig. 3 zeigt eine beispielhafte Darstellung der Partikelgröße und Anzahl einer Synthese es Herstellungsverfahrens.

Fig. 4 zeigt ein FT-IR Spektrum eines erfindungsgemäßen Polymers.

Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens: Nachfolgend wird das Verfahren zur Bestimmung der in einem zu untersuchenden Material

vorhandenen Menge und Art von Polymermikropartikeln genauer beschrieben.

Schritt (a) Entnehmen zumindest einer Analysenprobe vom zu untersuchenden Material:

Es wird vom zu untersuchenden Material eine Menge an Probe entnommen, wobei bei der Probenentnahme darauf geachtet werden soll, dass die mit der Probe in Kontakt gelangenden Geräte (Pipetten, Behälter) kunststofffrei sind. Die Probennahme kann beispielsweise gemäß

ISO/TR 21960:2020 durchgeführt werden.

Schritt (b) Bereitstellen einer Ausgangsmenge an Referenzpolymermikropartikeln auf einem Stempel und Hinzugabe eines Alkalimetallhalogenids:

Die Referenzpolymermikropartikel werden in einer geeigneten Menge an Suspensionsmedium (z.B. Ethanol, da die Polymerpartikel hierbei besser benetzen und eine Suspension mit schwer benetzbaren Polymeren möglich wird) mit entsprechender Konzentration und mit möglichst geringem Volumen punktuell auf die vorgesehenen Stempel aufgetragen. Geeignete Volumina

sind z.B. 2 bis 10 uL. Nachdem das Suspensionsmittel vollständig verdampft und die

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Oberfläche trocken ist, wird die Pressvorrichtung gemäß der Bedienungsanleitung montiert.

Ungefähr 250 mg Kaliumbromid werden hinzugefügt.

Schritt (c) Verpressen der Referenzpolymermikropartikel mit Alkalimetallhalogenid zu einem Pressling:

Anschließend wird auf dem Stempel ein Druck ausgeübt und auf etwa 98 kN (10 Tonnen) erhöht und für einen Zeitraum von 2 Minuten konstant beibehalten. Nach diesem Zeitraum wird der Druck innerhalb von 1 Minute schrittweise reduziert. Als Ergebnis erhält man einen KBr-

Pressling, in dem die Referenzpolymermikropartikel eingebettet sind.

Schritt (d) Durchführung einer quantitativen spektroskopischen Analyse am Pressling zur Bestimmung der tatsächlichen Ausgangsmenge an Referenzpolymermikropartikeln:

Die Messung kann z.B., wie nachfolgend beschrieben, durchgeführt werden: Die IRMessbedingungen sind vorzugsweise in einem Wellenzahlbereich von 4000-1000 cm”!. Pro Pixel werden zwei Scans aufgenommen. Die spektrale Auflösung kann z.B. 16 cm“! betragen; Messbereich ist der gesamte Pressling. Ein Spektrum von Polyethylenterephthalat (PET;

Formel nachfolgend gezeigt) ist in Fig. 1 dargestellt, ein erfindungsgemäßes Polymer ist in Fig.

4 dargestellt.

PET:

OH

H—+—O OÖ

n wobei n eine natürliche Zahl > 1 ist. Ein Polymer der Formel I, II oder II hat den Vorteil der

leichten Charakterisierbarkeit gegenüber anderen, in der Umwelt häufiger vorkommenden Polymeren. Es sollte daher ein Polymer für die Referenzpolymerpartikel verwendet werden,

welches in der zu untersuchenden Probe wahrscheinlich nicht vorkommt.

Schritt (e) Zugabe des Presslings zur Analysenprobe, gegebenenfalls Zugabe von Wasser

und Auflösen des Alkalimetallhalogenidbestandteils des Presslings in der Analysenprobe.

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Schritt (f) Durchführen einer Probenvorbereitung an der aus Schritt (e) erhaltenen Analysenprobe und Bereitstellung eines Messprobe:

Die Probenvorbereitung ist abhängig von der Art und Menge an organischen bzw. anorganischen Komponenten der Proben. Diese inkludiert typischerweise basischen, sauren oder enzymatischen Verdau von organischen Verbindungen und Dichte-Extraktionen zur

Entfernung von anorganischen Komponenten der Probe.

Als Beispiel wäre hier eine wässrige Umweltprobe zu nennen: Hierbei werden die organischen Bestandteile durch einen basischen Verdau (Mischung aus KOH und H;O-) gelöst und die Probe anschließend auf einen geeigneten Filter (beispielsweise metallisch beschichtete Kernporenfilter) filtriert. Das Filter kann direkt als Unterlage für die nachfolgende Analyse

verwendet werden.

Schritt (g) Durchführung einer quantitativen Analyse an der Messprobe zur Ermittlung der Restmenge an Referenzmikropartikeln in der Messprobe und Durchführung einer qualitativen und quantitativen Analyse an der Messprobe zur Ermittlung der Art und Menge an Polymermikropartikeln in der Messprobe:

Die spektroskopische Messung kann unter denselben Messbedingungen wie beim Pressling erfolgen. Anschließend erfolgt eine (manuelle oder automatisch durchgeführte) Datenauswertung durch einen Vergleich der erhaltenen Spektren mit einer Polymerdatenbank.

Somit kann die Identität, die Größe und die Anzahl der Polymermikropartikel bestimmt werden.

Schritt (h) Ermittlung eines Korrekturfaktors aus der Restmenge an Referenzpolymermikropartikeln aus Schritt (g) und der tatsächlichen Ausgangsmenge an Referenzpolymermikropartikeln aus Schritt (d):

Die Wiederfindungsrate (oder Recovery) und damit der Korrekturfaktor kann typischerweise über die Formel bestimmt werden: Recovery % = (Anzahl gefundener Partikel auf in Messprobe

zu eingesetzter Partikel im Pressling)* 100 Schritt (i) Anwendung des Korrekturfaktors auf die aus Schritt (g) ermittelte Menge an

Polymermikropartikeln und Berechnung der tatsächlichen Menge an Polymerpartikel in der

Analysenprobe:

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Division der ermittelten Menge an Polymermikropartikeln durch die Wiederfindungsrate. Bsp wurden 80 von 100 Referenzpartikel wiedergefunden, sodass die Wiederfindungsrate 80% beträgt. Der Korrekturfaktor beträgt demzufolge 1/0,8.

Beschreibung der erfindungsgemäßen Methode:

Nachfolgend wird die Methode zur Validierung eines Verfahrens zur Bestimmung der in einem zu untersuchenden Material vorhandenen Menge und Art von Polymermikropartikeln genauer beschrieben. Dabei wird Bezug auf das Verfahren genommen und —- wo möglich — auf das

Verfahren verwiesen.

Schritt) Bereitstellen einer Mischung von einem Alkalimetallhalogenid einer Ausgangsmenge an Referenzpolymermikropartikeln auf einem Stempel:

Dieser Schritt erfolgt analog zum erfindungsgemäßen Verfahren (siehe Schritt (b) des Verfahrens). Für die Referenzpolymerpartikel kommen Polymere der Formeln I, II oder III oder

andere Polymere wie PET in Frage.

Schritte (1) und (ii) Verpressen der Mischung zu einem Pressling und Durchführung einer quantitativen Analyse am Pressling zur Bestimmung der tatsächlichen Ausgangsmenge an Referenzpolymermikropartikeln:

Diese Schritte erfolgen analog zum erfindungsgemäßen Verfahren (siehe Schritte (c) und (d)

des Verfahrens).

Schritt (iv) Zugabe des Presslings in ein wässriges Medium und Auflösen des Alkalimetallhalogenidbestandteils des Presslings in dem Medium:

Anstatt den Pressling wie in Schritt (e) in der Analysenprobe zu lösen, wird der Pressling in ein wässriges Medium eingebracht. Das wässrige Medium ist vorzugweise ähnlich dem zu

untersuchenden Material, da das wässrige Medium das Material „simulieren“ soll.

Schritt (v) Durchführen der Probenvorbereitungsschritte an dem Medium und Bereiten einer Eichprobe: Wie in Schritt (f) wird eine Probenvorbereitung durchgeführt, um die durch die

Probenvorbereitung eintretenden Verluste zu ermitteln.

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Schritt (vi) Durchführung einer quantitativen Analyse an der Eichprobe und Ermittlung der Restmenge an Referenzpolymermikropartikeln:

Dieser Schritt erfolgt analog zum erfindungsgemäßen Verfahren (siehe Schritt (g))

Schritt (vii) Ermittlung eines Korrekturfaktors aus der Restmenge an Referenzpolymermikropartikeln aus Schritt (vi) und der tatsächlichen Ausgangsmenge an Referenzpolymermikropartikeln aus Schritt (111):

Dieser Schritt kann analog zu Schritt (h) des Verfahrens erfolgen.

Schritt (viii) Durchführen des Verfahrens zur Bestimmung der in einem zu untersuchenden Material vorhandenen Menge und Art von Polymermikropartikeln: Hier kann ein beliebiges bekanntes Verfahren zur Bestimmung der in einem zu untersuchenden

Material vorhandenen Menge und Art von Polymermikropartikeln angewendet werden.

Schritt (ix) Anwendung des Korrekturfaktor auf die ermittelte Menge der Polymermikropartikel aus der Messprobe des Materials zur Ermittlung der tatsächlichen Menge an Polymerpartikel.

Dieser Schritt kann analog zu Schritt (i) des Verfahrens erfolgen.

Validierungsprozess: Der KBr-Pressling wird mit Hilfe von bildgebenden spektroskopischen Verfahren analysiert, wodurch die genaue Anzahl der Referenzpolymermikropartikel ermittelt werden kann. Nach dieser Analyse kann der Pressling als interner Standard für zukünftige Messungen dienen. Vor der Bearbeitung einer Probe wird dieser Standard hinzugefügt. Basierend auf der bekannten ursprünglichen Partikelanzahl und der nach der Aufbereitung detektierten Partikelanzahl können die folgenden Validierungskriterien bestimmt werden:

* LOD/LOOQ (Limit of detection/Limit of quantification)

e Nachweisgrenze/Bestimmungsgrenze (Limit of detection =LOD /Limit of

quantification = LOQ)

e Präzision

e Linearität/Arbeitsbereich

e Genauigkeit (Bias)

e Wiederfindung

e Ungenauigkeit

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Weitere wichtige Parameter, die ohne den internen Standard bereits bestimmt werden können: e Spezifität/Selektivität e Stabilität

Das Polymer gemäß der Erfindung ermöglicht die Unterscheidung von herkömmlichem

Polymermikropartikel und die eindeutige Identifikation in einer Probe.

Herstellung des Polymers:

Herstellbar sind erfindungsgemäße Polymere durch Co-polymerisation von 1,2-Divinylbenzol (DVB) und / oder 1,3-Divinylbenzol, 1-Vinyl-4-imidazolidin-2-thion (VIT) und Azoisobutyronitril (AIBN), wobei durch die Anwesenheit von Cellulose in der

Polymerisationsmischung die Größe des Polymers eingestellt werden kann.

In einer Ausführungsvariante kann das Polymer wie folgt hergestellt werden: e* Azoisobutyronitril (AIBN) 30 mg e Vinylimidazolidin-2-thion (VIT) 160 mg e* DVB 200 mg e Organisches Lösungsmittel 600 ıl e Cellulose 700 mg e Wasser 100 mL

DVB, VIT, AIBN und ein organisches Lösungsmittel werden miteinander kombiniert. Diese Mischung wird dann einer 70°C warmen Lösung aus Wasser und Cellulose schrittweise hinzugefügt. Das resultierende Reaktionsgemisch wird anschließend bei einer konstanten Temperatur von 70°C für eine Dauer von 21 Stunden unter einer kontrollierten Rührgeschwindigkeit gemischt. Nach Ablauf dieser Zeit werden die entstandenen Partikel

mittels Zentrifugation isoliert und in Ethanol resuspendiert.

200 mg DVB (Divinylbenzol)

160 mg VIT (Vinylimidazolidin-2-thion) 30 mg AIBN (Azo-bis-(isobutylonitril)) 600 ul CHClz (Chloroform)

700 mg Cellulose

100 ml H2O

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Vorschrift:

1] mL DVB wird mit 4 Spatelspitzen Al,O; für 30 min geschüttelt (Aktivierung). Von diesem werden 200 mg des Überstandes in einen Kolben gemeinsam mit 160 mg VIT (Monomer) und 30 mg AIBN (Initiator) und 600 uL Chloroform (Lösungsmittel) überführt. Dieses Gemisch (Mixtur 1) für 10 min im Ultraschallbad gelöst.

Zeitgleich werden 700 mg Cellulose (Methocel) in 100 mL Wasser bei 1000 rpm für 30 min gerührt. Anschließend wird die Mixtur 1 dieser Lösung zugeführt und das Ganze wird mittels KPG-Rührer bei Raumtemperatur und 200rpm für 30-60 min (t1) weitergerührt. Die Synthese findet anschließend bei 70°C für 21h bei 200 rpm (vl) statt. Das Polymer mit durch

zentrifugieren und 3-fachen Waschens mit Wasser reingewonnen.

Generell lässt sich die Größenverteilung (Fig. 3) über mehrere Parameter einstellen. Wenn t1 geringer gewählt wird, werden bei der Messung der Größenverteilung mehr Partikel über 100 um erfasst. Wird t1 länger gewählt, so erhält man mehr Partikel unter 100 um. Auch die Rührgeschwindigkeit der Synthese zeigt einen Einfluss auf die Partikelgrößen. Wird v1 geringer gewählt (ca. 150 rpm), so erhält man vergleichsweise größere Referenzpolymermikropartikel (> 100 um), wird v1 größer eingestellt (> 300 rpm) so erhält man deutlich kleinere Referenzpolymermikropartikel (< 100um). Bei den gewählten Einstellungen erhält man die größte Anzahl an Referenzpolymermikropartikeln nahe von 25 um im Durchmesser. Eine Auftrennung nach Partikelgrößen für spezifische Anwendungen

kann mittels der geeigneten Methoden (Bsp. Field-Flow-Fractionation FFF) erfolgen.

Claims

15 20 25 19 ANSPRÜCHE

1. Verfahren zur Bestimmung der in einem zu untersuchenden Material vorhandenen Menge und Art von Polymermikropartikeln,

wobei das Verfahren die Schritte umfasst:

(a) Entnehmen zumindest einer Analysenprobe vom zu untersuchenden Material;

(d) Durchführung einer quantitativen spektroskopischen Analyse am Pressling zur Bestimmung der tatsächlichen Ausgangsmenge an Referenzpolymermikropartikeln,

(g) Durchführung einer quantitativen Analyse an der Messprobe zur Ermittlung der Restmenge an Referenzmikropartikeln in der Messprobe und Durchführung einer qualitativen und quantitativen Analyse an der Messprobe zur Ermittlung der Art und Menge an Polymermikropartikeln in der Messprobe;

Analysenprobe.

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2. Methode zur Validierung eines Verfahrens zur Bestimmung der in einem zu untersuchenden Material vorhandenen Menge und Art von Polymermikropartikeln,

wobei das zu validierende Verfahren die Schritte

dadurch gekennzeichnet, dass die Methode die Schritte umfasst:

(viii) Durchführen des Verfahrens zur Bestimmung der in einem zu untersuchenden Material vorhandenen Menge und Art von Polymermikropartikeln;

an Polymerpartikel.

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3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Methode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die qualitative Analyse ein spektroskopisches Verfahren umfasst, vorzugsweise

bildgebende FTIR-Spektroskopie und / oder bildgebende Raman-Spektroskopie.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder Methode nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die quantitative Analyse ein bildgebendes Verfahren, vorzugsweise ein bildgebendes spektroskopisches Verfahren umfasst, vorzugsweise

bildgebende FTIR-Spektroskopie und / oder bildgebende Raman-Spektroskopie.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder Methode nach einem der Ansprüche

2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe und Konzentration der

>

Referenzpolymermikropartikel repräsentativ für die zu erwartende Menge an

Polymermikropartikelpartikel in der Analysenprobe ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 oder Methode nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Alkalimetallion des Alkalimetallhalogenids ausgewählt ist aus der Gruppe Li‘, Na” oder K"” und dass das Halogenid des Alkalimetallhalogenids ausgewählt ist aus der Gruppe F”, CI!” oder Br’ ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 oder Methode nach einem der Ansprüche

2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Alkalimetallhalogenid Kaliumbromid (KBr) ist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 oder Methode nach einem der Ansprüche

2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzpolymermikropartikel ein Polymer der

Formel I, Formel II oder Formel II aufweisen:

Ss

m N Ss m & 7 N HN

HN

(Formel DI), (Formel ID),

U

(Formel II)

wobei n, m und o unabhängig voneinander natürliche Zahlen > 1 sind.

9. Polymer der Formel I, II oder II >

m

N

m

(Formel DI), (Formel ID),

De DO

(Formel II)

wobei n, m und o unabhängig voneinander natürliche Zahlen > 1 sind.

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10. Verfahren zur Herstellung eines Polymers der Formel I nach Anspruch 9, umfassend die Schritte (A) Bereitstellen einer Mischung aus 1-Vinyl-4-imidazolidin-2-thion (VIT) und einem Divinylbenzol (DVB), und Cellulose, wobei das DVB ausgewählt ist aus der Gruppe 1, 2-DVB für das Polymer der Formel IT, 1,3-DVB für das Polymer der Formel I oder einer Mischung aus 1,2-DVB und 1,3-DVB für das Polymer der Formel III, (B) Zugabe von Azoisobutyronitril (AIBN) als Radikalinitiator zu der Mischung, (C) Erhitzen der Mischung auf eine Temperatur, die geeignet ist, eine Radikalpolymerisation zu initiieren und aufrechtzuerhalten, (D) Aufrechterhalten der Temperatur zur Polymerisation;

(E) Abkühlen und Isolation des Polymers.

11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Massenverhältnis von DVB zu VIT im Bereich von 1 : 0,5 bis 1 : 1,5 liegt.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Massenverhältnis von DVB zu Cellulose von 1 : 2 bis 1 : 4 beträgt.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die

Polymerisation in Schritt (D) bei einer Temperatur im Bereich von 60°C bis 120°C

durchgeführt wird.