WO2024074271A1 - Method for concentrating at least one anthropogenic target substance in a sample liquid - Google Patents

Method for concentrating at least one anthropogenic target substance in a sample liquid Download PDF

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WO2024074271A1
WO2024074271A1 PCT/EP2023/075071 EP2023075071W WO2024074271A1 WO 2024074271 A1 WO2024074271 A1 WO 2024074271A1 EP 2023075071 W EP2023075071 W EP 2023075071W WO 2024074271 A1 WO2024074271 A1 WO 2024074271A1
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sample
liquid
superabsorbent
target substance
anthropogenic
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PCT/EP2023/075071
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Inventor
Timo Hillebrand
Elmara Graser
Wiebke JACOBI
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Ist Innuscreen Gmbh
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    • G01N2015/0042—Investigating dispersion of solids
    • G01N2015/0053—Investigating dispersion of solids in liquids, e.g. trouble

Definitions

  • the invention relates to a method for concentrating at least one anthropogenic target substance in a sample liquid, which anthropogenic target substance consists of particles and/or particles with an average particle size in the nanometer range.
  • Nanoparticles and nano particles are playing an increasingly important role in our lives. This applies, for example, to the use and, in this context, the production of these particles and particles for a variety of applications in the pharmaceutical industry (for example in connection with encapsulated mRNA active ingredients), food technology or the electrical engineering or electronics industry (for example in connection with quantum dots).
  • Nanoparticles can be used to transport drugs to desired organs, as they can penetrate the blood-brain barrier (e.g. suitable for use in the pharmaceutical industry) and the skin (e.g. suitable for use in the cosmetics industry). Nanoparticles are also used for diagnostic applications, for example for color detection in rapid tests based on colloidal gold. They also stabilize food and thus ensure longer shelf lives.
  • blood-brain barrier e.g. suitable for use in the pharmaceutical industry
  • the skin e.g. suitable for use in the cosmetics industry.
  • diagnostic applications for example for color detection in rapid tests based on colloidal gold. They also stabilize food and thus ensure longer shelf lives.
  • Nanoparticles are almost exclusively anthropogenic substances. This means that the nanoparticles have been produced by humans through industrial, commercial and municipal processes and not, for example, by biological organisms. Another aspect of nanoparticles is the pollution of our planet, as nanoparticles are often difficult to biodegrade. Nanoparticles are created, for example, from waste from the plastics industry or from the partial decomposition of plastic waste in nature (so-called secondary nanoplastics). The worldwide pollution of the environment with waste from the plastics industry is a global problem. Nanoplastic waste with particle sizes of less than 1 pm enters the ecosystem unhindered and is often not stopped by sewage treatment plants. The damage caused by microplastics and nanoplastics includes the accumulation of particles in the tissue of aquatic creatures.
  • the plastic components ⁇ 0.33 mm i.e. parts of the nanoparticles and nanoparticles in the micrometer range and all nanoparticles and nanoparticles in the nanometer range
  • the plastic components ⁇ 0.33 mm i.e. parts of the nanoparticles and nanoparticles in the micrometer range and all nanoparticles and nanoparticles in the nanometer range
  • Micro- and nanoplastic waste is detected using spectroscopic methods (e.g. Raman or infrared spectroscopy), thermoanalytical methods (e.g. dynamic differential scanning calorimetry (DSC)), gas chromatograph mass spectrometer (GC/MS), microscopy (optical, fluorescence-based) or fluorescence-based flow cytometry.
  • spectroscopic methods e.g. Raman or infrared spectroscopy
  • thermoanalytical methods e.g. dynamic differential scanning calorimetry (DSC)
  • GC/MS gas chromatograph mass spectrometer
  • microscopy optical, fluorescence-based
  • the object of the invention is to provide a simple, rapid and universally applicable method for concentrating at least one anthropogenic target substance in a sample liquid.
  • the solution is based on the use of so-called superabsorbents, with which any aqueous sample liquid can be processed in order to concentrate the nanoparticles contained in the sample liquid.
  • Superabsorbent polymers are plastics that are able to absorb many times their own weight in polar liquids. These are mainly water or aqueous solutions. When the liquid is absorbed, the superabsorbent swells and forms a hydrogel. Hydrogels can form all cross-linked polymers that are polar (e.g. polyacrylamide, polyvinylpyrrolidone, amylopectin, gelatin, cellulose). However, a copolymer of acrylic acid is usually used.
  • the product is traditionally used, for example, as white granules with particle sizes of 100 to 1000 pm. It is mainly used in baby diapers, sanitary napkins, incontinence care, in dressing material and, in small quantities, in cable sheathing for deep-sea cables.
  • Other areas of application include so-called gel beds, gel-forming extinguishing agents in fire fighting, as a mechanical stabilizer for cut flowers in a vase or as an additive for plant soil to permanently store water.
  • acrylic acid neutralized with potassium hydroxide is used because of its better environmental compatibility.
  • the use of superabsorbents is known as toys under names such as "water beads", “aqua beads” or “water beads”. These are superabsorbents which are commercially available in the form of balls of variable size (submillimeters to centimeters).
  • the invention was based on the following unexpected observation: A water sample was mixed with fluorescent nanoparticles with an average particle size of 30 nm. After adding commercially available water pearl beads and an incubation period in which the beads swelled to several times their original volume, it was found that the nanoparticles were not absorbed by the superabsorbents, but were concentrated in the remaining liquid.
  • the method according to the invention for concentrating at least one anthropogenic target substance in a sample liquid comprises:
  • “Anthropogenic substances” are substances that are not created by nature but by humans, for example through industrial, commercial or municipal processes. They include, for example, plastics, but also pesticides, pharmaceuticals, personal care products and industrial chemicals as well as their degradation products and metabolites. Biomolecules that are created by microorganisms (e.g. enzymes, DNA/RNA fragments, etc.) and have similar sizes in the nanometer range do not fall under the particles or particles of anthropogenic substances mentioned in this application.
  • microorganisms e.g. enzymes, DNA/RNA fragments, etc.
  • the first sample taken from the liquid portion of the mixture of liquid and superabsorbent present after incubation can be the entire remaining liquid portion.
  • the first sample can be used immediately for subsequent analysis, e.g. using a spectroscopic method. It can also be further concentrated in a cascading process in one or more additional stages, e.g. by adding a superabsorbent again or adding it to a superabsorbent again and incubating again, or by using a conventional method for concentrating target substances, e.g. using one of the methods given in the introduction. If only part of the liquid portion is taken as the first sample, the target substance in the liquid portion of the mixture remaining after sampling can be further concentrated by incubating again for a second period. Both variants of the process can be repeated several times so that a higher concentration of the target substance is obtained at each stage of the cascaded concentration.
  • the method may comprise a further concentration of the target substance in the first sample taken after the first sample has been taken.
  • Further concentration of the target substance in the first sample taken can be carried out by means of a filtration, ultrafiltration or precipitation reaction technique.
  • the further concentration of the target substance in the first sample taken can also be carried out again - and optionally repeated in cascading fashion once or several times - by carrying out the following process steps:
  • the concentrated first sample taken from the liquid portion remaining after incubation can comprise the entire volume of the liquid portion.
  • the concentrated first sample can be a partial volume of the remaining liquid portion.
  • the target substance can be further concentrated in the concentrated first sample or in a further concentrated first sample obtained by further concentration, in particular by means of a superabsorbent, by means of a filtration, ultrafiltration or precipitation reaction. This is advantageous if the volume of the concentrated first sample corresponds to only a few milliliters, e.g. 1 to 10 ml.
  • the method according to the invention for concentrating the target substance in the liquid portion of the mixture remaining after taking the first sample can comprise the following further steps: renewed - and optionally cascading one or more times repeated - concentration of the target substance in the liquid portion of the mixture remaining after taking the first sample by - re-incubating the mixture of the remaining liquid portion and the superabsorbent remaining after the first sample has been taken for a third period; and
  • the concentration of the target substance is determined, among other things, by the predeterminable duration of the third period and the conditions prevailing during incubation.
  • the initially used liquid volume can contain a polar liquid, in particular as the main component.
  • the liquid volume can contain a polar solvent, in particular as the main component.
  • the liquid volume can consist of a polar solvent to a mass fraction of at least 50%.
  • the polar liquid or the polar solvent can be water, for example.
  • the target substance is a nanoparticle or nano particles.
  • a substance consists of an anthropogenic substance, in particular of at least one natural polymer, of at least one biocompatible synthetic polymer, of an inorganic material or of an organic material.
  • the superabsorbent can be a plastic or comprise a plastic that absorbs a portion of the liquid volume, e.g. a polar solvent contained in the liquid volume such as water, to form a gel or hydrogel.
  • the plastic is advantageously selected so that it absorbs essentially no nanoparticles. This is the case, for example, with the mentioned superabsorbents made from the mentioned polymer or copolymer materials, e.g. with the commercially available water pearls, water beads, etc.
  • the superabsorbent can be used in the form of particles, e.g. as a powder, as granules or in the form of geometric bodies, in particular spheres (spherical particles). It can thus be added to the liquid volume or the first sample in the form of such particles or the liquid volume or the first sample can be added to the superabsorbent in this form.
  • the particles or spheres can have a diameter of between 100 and 5000 pm.
  • the superabsorbent is commercially available superabsorbent beads, for example superabsorbent beads available under the names “Aquabeads”, “Water Beads”, “Water Pearls”, “Aqua Beads”, “Hydro Beads”, “Gel Beads”.
  • the volume of the liquid portion remaining after the incubation step, and thus the concentration of the target substance in the remaining liquid portion can be controlled by the length of the incubation period or periods, by the size and number of superabsorbent particles or superabsorbent spheres added to the initially used liquid volume of the sample liquid or the first sample, and/or by the temperature prevailing during incubation.
  • the sample liquid may be a filtrate or a centrifugation supernatant. This means that one or more separation steps are carried out before concentration in order to remove further components from the sample.
  • the sample liquid is an environmental sample.
  • An environmental sample is taken from the environment, for example from bodies of water such as lakes or rivers. But sediment or gas samples, for example, which are then mixed with a liquid, are also referred to as environmental samples.
  • the invention further comprises a method for detecting an anthropogenic target substance in a sample liquid, comprising:
  • the physical detection method is used to determine whether certain nanoparticles or nano particles are present in the concentrated sample and how high their concentration is. In the initial liquid volume, these would not be detectable using the physical detection method because their concentration is too low.
  • a microscope is used for qualitative and/or quantitative determination.
  • the nanoparticles or nano particles are counted in a section of a defined size.
  • a fluorescence measuring method or a spectroscopic measuring method is used. For this, the nanoparticles or nano particles must be
  • Nanoparticles contain a fluorescent dye, which is added in particular before concentration.
  • the invention also includes the use of a superabsorbent for the one-time or multiple cascading concentration of the anthropogenic target substance in a liquid sample.
  • the liquid sample can contain a polar liquid, in particular water, wherein the superabsorbent is designed to absorb the polar liquid, e.g. water, or at least a portion of the polar liquid, to form a hydrogel.
  • the superabsorbent can be formed from the materials described above and in the previously described Embodiments as granules or, particularly preferably, in the form of beads, in particular commercially available water beads, water beads or aqua beads, can be used.
  • the cascaded concentration can comprise several stages. After each stage, a sample can be taken for analysis and the concentration process continued, or the sample or part of the sample concentrated in at least one stage after incubation of the sample with the superabsorbent can subsequently be further concentrated using other known methods.
  • the invention also includes a kit for carrying out the method described above.
  • the kit can, for example, include one or more containers with superabsorbent material, into which a user can then add an initial volume of liquid for concentration or a sample that has already been concentrated in a first stage.
  • the liquid concentrated according to the described method or according to the described use i.e. the liquid portion present after incubation, or a sample taken from the concentrated liquid can be fed manually or automatically to a laboratory device for further treatment or analysis.
  • a liquid or sample of the liquid can be fed into a cartridge, in particular a microfluidic cartridge, of an automatic analysis device for the automated implementation of a detection of the target substance by means of a physical detection method for the qualitative and/or quantitative determination of the anthropogenic target substance. This can be done manually or automatically.
  • Fig. 1 is a schematic representation of the cascading concentration of a target substance in a liquid: a) liquid before adding a superabsorbent; b) liquid after adding a superabsorbent and incubating the mixture; c) first sample taken from the mixture after adding another superabsorbent and incubating the mixture; d) remaining mixture of liquid and superabsorbent, if applicable after taking the first sample and after incubating again;
  • Fig. 2 is a representation of samples and blank samples, some of which were obtained by means of the concentration according to the invention and exposed to UV light; and Fig. 3 Evaluation of the measurement data: a) a graphical representation of the mean values of the measured values in a bar chart; b) a correlation between the degree of concentration and the increase in fluorescence of the samples.
  • Further processing can, for example, be a quantitative and/or qualitative detection of the target substance in the liquid.
  • the detection is carried out using a spectroscopic or microscopic method, for example.
  • the degree of concentration and the speed of this process can be controlled very precisely by the type of superabsorbent used, by the amount used, or by the incubation time and/or the incubation temperature.
  • the method can therefore easily solve the problem of processing low-concentration samples for further processing of the target substances of interest, in particular nanoparticles, or their detection.
  • the method shown in Fig. 1 a and b does not require equipment such as ultracentrifuges, expensive ultrafiltration membranes, complex processes such as PEG precipitation or general precipitation reactions for concentrating nucleic acids, etc.
  • the method can be used universally with regard to the type of nanoparticles.
  • a further advantage is that the superabsorbents are non-toxic and harmless and often biodegradable. The method according to the invention can therefore greatly simplify the examination of low-concentration nanoparticles.
  • a cascading concentration of the target substance is an option.
  • the described method with the above-mentioned steps 1-3 can be used to concentrate the target substance.
  • the volume of the first sample 4 can be reduced to reconcentrate the target substance. This can be done either by means of a conventional filtration or precipitation process or other conventional methods. Alternatively, the reconcentration of the target substance in the first sample 4 can also be done, as shown in Fig.
  • the latex nanoparticles were provided by the Fraunhofer Institute for Applied Polymer Research.
  • the concentration of the latex particles in the stock solution was 2.02 M%.
  • the particles were added to a 500 ml water sample, thereby producing a 1:10,000-fold dilution.
  • a superabsorbent in the form of commercially available “water beads” was added to the water sample.
  • samples PO, P1, P2 were taken at different times, each of which corresponded to a different concentration.
  • the samples are divided into blank samples L0, L1, L2 for control (without latex nanoparticles) and samples PO, P1, P2, which contain the latex nanoparticles.
  • the samples are as follows: Blank sample L0: ultrapure water without latex particles (500 ml) Blank sample L1: concentration of 500 ml ultrapure water to 40 ml ultrapure water Blank sample L2: further concentration of L 1 to 1 ml ultrapure water Sample PO: 1:10,000 dilution of the latex particle stock solution in 500 ml ultrapure water Sample P1: concentration of 500 ml ultrapure water to 40 ml ultrapure water Sample P2: further concentration of P 1 to 1 ml ultrapure water The particles in the respective samples were detected by measuring the fluorescence of the dye contained in the latex nanoparticles.
  • Fig. 1 shows a qualitative detection of the latex nanoparticles.
  • the respective samples PO, P1, P2 and the blank samples LO, L1, L2 were transferred in triplicate to a UV-transparent measuring plate. The measuring plate with the samples was then exposed to UV light. Exposure to UV light stimulates fluorescence in the samples that contain latex particles. No fluorescence can be seen in the blank samples LO, L1, L2 and an increasing fluorescence with increasing concentration in the samples PO, P1, P2, which contain the latex nanoparticles.
  • Table 1 shows a quantitative measurement of the respective samples using a fluorescence measuring device. The measurements are carried out by exciting the samples PO, P1, P2 and the blank samples LO, L1, L2 (each in triplicate) at an emission of 559 nm. While the values of the blank samples LO, L1, L2 remain stable and low with concentration, the values of the samples PO, P1, P2 that contain the nanoparticles increase proportionally to the degree of concentration.
  • Fig. 2 the measured values listed in Table 1 are graphically displayed or evaluated.
  • Fig. 2a the mean values of the respective measured values of a sample are shown as a bar chart.
  • Fig. 2b a correlation is shown between the degree of concentration and the increase in fluorescence of the samples PO ("1"), P1 ("2") and P2 ("3"), which contained nanoparticles.

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Abstract

The invention relates to a concentration of at least one anthropogenic target substance in a sample liquid, which anthropogenic target substance consists of particles and/or particulates with an average particle or particulate size in the nanometre range, comprising: - adding a superabsorber (2) to an initial volume of liquid (1) of the sample liquid or adding the volume of liquid (1) to the superabsorber (2), - incubating, over a first period (t1), the mixture obtained by mixing the superabsorber (2) and the volume of liquid (1), and - removing a first sample (4) of the liquid portion (3) of the mixture present after incubation.

Description

Verfahren zur Aufkonzentrierung mindestens einer anthropogenen Zielsubstanz in einer Probenflüssigkeit Method for concentrating at least one anthropogenic target substance in a sample liquid
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufkonzentrierung mindestens einer anthropogenen Zielsubstanz in einer Probenflüssigkeit, welche anthropogene Zielsubstanz aus Partikeln und/oder Teilchen mit einer durchschnittlichen Partikel-, bzw. Teilchengröße im Nanometerbereich besteht. The invention relates to a method for concentrating at least one anthropogenic target substance in a sample liquid, which anthropogenic target substance consists of particles and/or particles with an average particle size in the nanometer range.
Nanopartikel und Nanoteilchen spielen eine immer größere Rolle in unserem Leben. Dies betrifft beispielsweise die Nutzung, und in diesem Zusammenhang auch die Herstellung, dieser Partikel und Teilchen für eine Vielzahl von Anwendungen in der pharmazeutischen Industrie (beispielsweise im Zusammenhang mit verkapselten mRNA- Wirkstoffen), der Lebensmitteltechnologie oder der Elektrotechnik-, bzw. Elektronikindustrie (beispielsweise im Zusammenhang mit Quantumdots). Nanoparticles and nano particles are playing an increasingly important role in our lives. This applies, for example, to the use and, in this context, the production of these particles and particles for a variety of applications in the pharmaceutical industry (for example in connection with encapsulated mRNA active ingredients), food technology or the electrical engineering or electronics industry (for example in connection with quantum dots).
Aufgrund ihrer geringen Größe und den damit verbundenen Veränderungen der physikalischen Charakteristiken können die Nanopartikeln, bzw. Nanoteilchen für den Transport von Arzneistoffen in gewünschte Organe eingesetzt werden, da sie die Blut-Hirn-Schranke (beispielsweise geeignet für eine Anwendung für die Pharmazie) und die Haut (beispielsweise geeignet für eine Anwendung für die Kosmetikindustrie) durchdringen können. Nanopartikeln, bzw. Nanoteilchen werden aber auch für diagnostische Anwendungen eingesetzt, beispielsweise für den Farbnachweis bei Schnelltests auf der Basis von kolloidalem Gold. Auch stabilisieren sie Lebensmittel und sorgen damit für längere Haltbarkeiten. Due to their small size and the associated changes in physical characteristics, nanoparticles can be used to transport drugs to desired organs, as they can penetrate the blood-brain barrier (e.g. suitable for use in the pharmaceutical industry) and the skin (e.g. suitable for use in the cosmetics industry). Nanoparticles are also used for diagnostic applications, for example for color detection in rapid tests based on colloidal gold. They also stabilize food and thus ensure longer shelf lives.
Bei den Nanopartikeln, bzw. Nanoteilchen, handelt es sich fast ausschließlich um anthropogene Substanzen. Das bedeutet, dass die Nanopartikeln, bzw. Nanoteilchen von Menschen durch industrielle, gewerbliche und kommunale Prozesse erzeugt worden sind, und nicht beispielsweise von biologischen Organismen erzeugt wurden. Ein weiterer Gesichtspunkt von Nanoteilchen, bzw. Nanopartikeln betrifft daher die Verschmutzung unseres Planeten, da die Nanoteilchen, bzw. Nanopartikeln häufig biologisch schwer abbaubar sind. So entstehen Nanoteilchen, bzw. Nanopartikeln beispielsweise aus Abfällen der Plastikindustrie, beziehungsweise durch ein partielles Zersetzen der Plastikabfälle in der Natur (sogenanntes sekundäres Nanoplastik). Die weltweite Verunreinigung der Umwelt mit den Abfällen der Plastikindustrie ist ein globales Problem. Nanoplastikabfälle mit Partikel-, bzw. Teilchengrößen von kleiner als 1 pm gelangen ungehindert in das Ökosystem und werden oftmals auch von Kläranlagen nicht aufgehalten. Zu den von Mikro- und Nanoplastik verursachten Schäden gehören die Akkumulation der Teilchen im Gewebe von Wasserbewohnern. Durch verschmutztes Wasser und über Nahrungsketten gelangen sie auch zu uns Menschen. Die Anreicherung von hydrophoben persistenten organischen Schadstoffen (POPs) in der Umwelt bedeutet eine zunehmende zusätzliche Belastung von Meeresbewohnern und Menschen. Nanoteilchen, bzw. Nanopartikeln aus Plastik, bzw. Kunststoffen sind besonders gefährlich, da diese die Zellmembran passieren und Zellstoffwechselprozesse beeinflussen können. Die momentan eingesetzten Sammel- und Detektionsmethoden eignen sich nur für Makro- und Mikroplastik, nicht aber für Nanoplastik. Zur Einschätzung der Umweltverunreinigung werden die Plastikabfälle beispielsweise von Oberflächenwasser gesammelt. Hierfür wird von der Tatsache Gebrauch gemacht, dass ca. 98% der Plastikpartikel eine kleinere Dichte als Wasser aufweisen. Mittels großer Netze mit einer Maschengröße etwa 0,3 mm, welche mit einem Boot über die Wasseroberfläche gezogen werden, werden die Plastikpartikel eingesammelt. Das gesammelte Sediment wird durch Sieben nach Größen getrennt. Die Plastikpartikel werden anschließend aufgeschwemmt und nach Größe filtriert. Andere Ansätze basieren auf der Filtration großer Wasservolumen oder von Luft. Die Konzentration der Plastikteile in unterschiedlichen Gewässern wird auf ca. 1.5 x 10-5 bis 0.11 g/m3 geschätzt. Nanoparticles are almost exclusively anthropogenic substances. This means that the nanoparticles have been produced by humans through industrial, commercial and municipal processes and not, for example, by biological organisms. Another aspect of nanoparticles is the pollution of our planet, as nanoparticles are often difficult to biodegrade. Nanoparticles are created, for example, from waste from the plastics industry or from the partial decomposition of plastic waste in nature (so-called secondary nanoplastics). The worldwide pollution of the environment with waste from the plastics industry is a global problem. Nanoplastic waste with particle sizes of less than 1 pm enters the ecosystem unhindered and is often not stopped by sewage treatment plants. The damage caused by microplastics and nanoplastics includes the accumulation of particles in the tissue of aquatic creatures. They also reach us humans through polluted water and via food chains. The accumulation of hydrophobic persistent organic pollutants (POPs) in the environment means an increasing additional burden on marine life and humans. Nanoparticles, or nanoparticles made of plastic, are particularly dangerous because they can pass through the cell membrane and influence cellular metabolic processes. The collection and detection methods currently used are only suitable for macro and microplastics, not for nanoplastics. To assess environmental pollution, plastic waste is collected from surface water, for example. This takes advantage of the fact that around 98% of plastic particles are less dense than water. The plastic particles are collected using large nets with a mesh size of around 0.3 mm, which are pulled over the water surface by a boat. The collected sediment is separated by size by sieving. The plastic particles are then suspended and filtered by size. Other approaches are based on the filtration of large volumes of water or air. The concentration of plastic particles in different bodies of water is estimated at around 1.5 x 10-5 to 0.11 g/m3.
Bei allen diesen Ansätzen aber gehen die Plastikbestandteile <0,33 mm (also Teile der Nanopartikel und Nanoteilchen im Mikrometerbereich und sämtliche Nanopartikel und Nanoteilchen im Nanometerbereich) entweder verloren oder verbleiben im Filterdurchlauf. However, in all these approaches, the plastic components <0.33 mm (i.e. parts of the nanoparticles and nanoparticles in the micrometer range and all nanoparticles and nanoparticles in the nanometer range) are either lost or remain in the filter flow.
Der Nachweis von Mikro- und Nanoplastikabfällen erfolgt mittels spektroskopischer Methoden (beispielsweise Raman- oder Infrarotspektroskopie), thermoanalytischer Methoden (beispielsweise die dynamische Differenzkalorimetrie (DSC)), mittels Gaschromatograph-Massenspektrometer (GC/MS), mittels Mikroskopie (optisch, fluoreszenzbasiert) oder auch mittels fluoreszenzbasierter Durchfluss- Cytometrie. Hierbei offenbart sich die Problematik, dass auf Grund der geringen Konzentration von Nanoplastik eine Detektion sehr kompliziert ist. Auch für diese Anwendungsfelder wäre eine neuartige und einfache Aufkonzentrierungsmethode wünschenswert. Micro- and nanoplastic waste is detected using spectroscopic methods (e.g. Raman or infrared spectroscopy), thermoanalytical methods (e.g. dynamic differential scanning calorimetry (DSC)), gas chromatograph mass spectrometer (GC/MS), microscopy (optical, fluorescence-based) or fluorescence-based flow cytometry. This reveals the problem that detection is very complicated due to the low concentration of nanoplastics. A new and simple concentration method would also be desirable for these fields of application.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein einfaches, schnelles und universell einsetzbares Verfahren zur Aufkonzentrierung mindestens einer anthropogenen Zielsubstanz in einer Probenflüssigkeit bereitzustellen. The object of the invention is to provide a simple, rapid and universally applicable method for concentrating at least one anthropogenic target substance in a sample liquid.
Diese Aufgabe wird in überraschend einfacher und universell anwendbarer Weise mittels des in Anspruch 1 definierten Verfahrens, der Verwendung gemäß Anspruch 21 und des Kits gemäß Anspruch 24 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. This object is achieved in a surprisingly simple and universally applicable manner by means of the method defined in claim 1, the use according to claim 21 and the kit according to claim 24. Advantageous embodiments are specified in the dependent claims.
Die Lösung basiert auf der Verwendung sogenannter Superabsorber, mit welchen jede wässrige Probeflüssigkeit bearbeitet werden kann, um die in der Probeflüssigkeit enthaltenen Nanopartikel, bzw. Nanoteilchen aufzukonzentrieren. The solution is based on the use of so-called superabsorbents, with which any aqueous sample liquid can be processed in order to concentrate the nanoparticles contained in the sample liquid.
Superabsorber (Superabsorbent Polymers, SAP) werden Kunststoffe genannt, die in der Lage sind, ein Vielfaches ihres Eigengewichts an polaren Flüssigkeiten aufzusaugen. Dies sind vor allem Wasser bzw. wässrige Lösungen. Bei der Aufnahme der Flüssigkeit quillt der Superabsorber auf und bildet ein Hydrogel. Hydrogele können alle vernetzten Polymere bilden, die polar sind (z. B. Polyacrylamid, Polyvinylpyrrolidon, Amylopektin, Gelatine, Cellulose). Meist wird jedoch ein Copolymer aus Acrylsäure (Propensäure, H2C=CH-COOH) oder Natriumacrylat (Natriumsalz der Acrylsäure, H2C=CH-COONa) einerseits und Acrylamid andererseits verwendet, wobei das Verhältnis der beiden Monomere zueinander variieren kann. Zusätzlich wird ein so genannter Kernvernetzer (Core-Cross-Linker, CXL) der Monomerlösung zugesetzt, der die gebildeten langkettigen Polymermoleküle stellenweise untereinander durch chemische Brücken verbindet, auch als Vernetzen bezeichnet. Durch diese Brücken wird das Polymer wasserunlöslich. Dieses sogenannte Basispolymer wird eventuell einer sogenannten Oberflächen-Nachvernetzung, Surface-Cross-Linking (SXL) genannt, unterzogen. Dabei wird eine weitere Chemikalie auf die Oberfläche der Partikel aufgebracht, die durch Erwärmung ein zweites Netzwerk nur auf der äußeren Schicht des Korns knüpft. Diese Hülle stützt das aufgequollene Gel, um auch bei äußerer Belastung (Bewegung, Druck) zusammen zu halten. Superabsorbent polymers (SAP) are plastics that are able to absorb many times their own weight in polar liquids. These are mainly water or aqueous solutions. When the liquid is absorbed, the superabsorbent swells and forms a hydrogel. Hydrogels can form all cross-linked polymers that are polar (e.g. polyacrylamide, polyvinylpyrrolidone, amylopectin, gelatin, cellulose). However, a copolymer of acrylic acid is usually used. (propenoic acid, H2C=CH-COOH) or sodium acrylate (sodium salt of acrylic acid, H2C=CH-COONa) on the one hand and acrylamide on the other hand are used, whereby the ratio of the two monomers to one another can vary. In addition, a so-called core cross-linker (CXL) is added to the monomer solution, which connects the long-chain polymer molecules formed to one another in places using chemical bridges, also known as cross-linking. These bridges make the polymer insoluble in water. This so-called base polymer may be subjected to a so-called surface post-cross-linking process, known as surface cross-linking (SXL). In this process, another chemical is applied to the surface of the particles, which, when heated, creates a second network only on the outer layer of the grain. This shell supports the swollen gel so that it holds together even under external stress (movement, pressure).
Das Produkt kommt beispielsweise herkömmlich als weißes Granulat mit Partikelgrößen von 100 bis 1000 pm zum Einsatz. Es findet größtenteils in Babywindeln, Damenbinden, bei der Inkontinenzversorgung, in Verbandmaterial und in geringen Mengen auch in Kabelummantelungen für Tiefseeleitungen Verwendung. Weitere Anwendungsgebiete sind sogenannte Gelbetten, gelbildende Löschmittel in der Brandbekämpfung, als mechanischer Stabilisator für Schnittblumen in einer Vase oder als Zusatz für Pflanzenerde, um dauerhaft Wasser zu speichern. Hierbei kommt jedoch wegen der besseren Umweltverträglichkeit kalilaugeneutralisierte Acrylsäure zum Einsatz. In Form von kugelförmigen Partikeln ist die Verwendung von Superabsorbern unter Bezeichnungen wie „Wasserperlen“, „Aqua Beads“ oder „Water beads“ als Spielzeug bekannt. Hierbei handelt es sich um Superabsorber, welche in Form von Kugeln von variabler Größe (Submillimeter bis Zentimeter) kommerziell angeboten werden. The product is traditionally used, for example, as white granules with particle sizes of 100 to 1000 pm. It is mainly used in baby diapers, sanitary napkins, incontinence care, in dressing material and, in small quantities, in cable sheathing for deep-sea cables. Other areas of application include so-called gel beds, gel-forming extinguishing agents in fire fighting, as a mechanical stabilizer for cut flowers in a vase or as an additive for plant soil to permanently store water. In this case, however, acrylic acid neutralized with potassium hydroxide is used because of its better environmental compatibility. In the form of spherical particles, the use of superabsorbents is known as toys under names such as "water beads", "aqua beads" or "water beads". These are superabsorbents which are commercially available in the form of balls of variable size (submillimeters to centimeters).
Der Erfindung lag die folgende unerwartete Beobachtung zu Grunde: Eine Wasserprobe wurde mit fluoreszierenden Nanoteilchen mit einer durchschnittlichen Partikel,- bzw. Teilchengröße von 30 nm versetzt. Nach Zugabe von kommerziell verfügbaren Wasserperlenkügelchen und einer Inkubationszeit, in welcher die Kügelchen zu einem Vielfachen ihres ursprünglichen Volumens aufquollen, zeigte sich, dass die Nanoteilchen nicht von den Superabsorbern aufgenommen, sondern in der verbleibenden Restflüssigkeit aufkonzentriert wurden. The invention was based on the following unexpected observation: A water sample was mixed with fluorescent nanoparticles with an average particle size of 30 nm. After adding commercially available water pearl beads and an incubation period in which the beads swelled to several times their original volume, it was found that the nanoparticles were not absorbed by the superabsorbents, but were concentrated in the remaining liquid.
Diese Beobachtung zeigt damit, dass mittels der Verwendung von Superabsorbern und hierbei insbesondere von Superabsorbern, die in Form von sog. Wasserperlenkügelchen kommerziell verfügbar sind, einfach und schnell unterschiedlichste Nanoteilchen in einer flüssigen Probe aufkonzentriert werde können. Die aufkonzentrierten Teilchen dadurch anschließend vereinfacht detektiert werden, da eine höhere Targetkonzentration durch die Aufkonzentrierung entsteht. This observation shows that by using superabsorbents, and in particular superabsorbents that are commercially available in the form of so-called water pearl beads, a wide variety of nanoparticles can be easily and quickly concentrated in a liquid sample. The concentrated particles can then be detected more easily because the concentration results in a higher target concentration.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und Mittel ist es damit möglich Nanoteilchen unterschiedlichster Zusammensetzung für Nachweisreaktionen effizient, einfach und schnell aufzukonzentrieren. Auf der Basis dieser Beobachtung konnte die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe gelöst werden. With the method and means according to the invention it is possible to concentrate nanoparticles of different compositions for detection reactions efficiently, easily and quickly. On the basis of this observation, the problem underlying the invention could be solved.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Aufkonzentrierung mindestens einer anthropogenen Zielsubstanz in einer Probenflüssigkeit umfasst: The method according to the invention for concentrating at least one anthropogenic target substance in a sample liquid comprises:
- Zugeben eines Superabsorbers zu einem initialen Flüssigkeitsvolumen der Probenflüssigkeit oder Zugeben des Flüssigkeitsvolumens zu dem Superabsorber, - adding a superabsorbent to an initial liquid volume of the sample liquid or adding the liquid volume to the superabsorbent,
- Inkubieren des aus dem Superabsorber und dem Flüssigkeitsvolumen gebildeten Gemisches über einen ersten Zeitraum, und - incubating the mixture formed from the superabsorbent and the liquid volume for a first period of time, and
- Entnehmen einer ersten Probe des nach dem Inkubieren vorliegenden flüssigen Anteils des Gemisches. - Taking a first sample of the liquid portion of the mixture after incubation.
Als „anthropogene Substanzen“ werden Substanzen verstanden, welche nicht von der Natur, sondern durch den Menschen erschaffen werden, beispielsweise durch industrielle, gewerbliche oder kommunale Prozesse. Sie umfassen beispielsweise Kunststoffe, aber auch Pestizide, Pharmaka, Körperpflege mittel und Industriechemikalien sowie deren Abbauprodukte und Metabolite. Biomoleküle, die bspw. von Mikroorganismen erzeugt werden (bspw. Enzyme, DNA/RNA-Fragmente, etc.) und ähnliche Größenordnungen im Nanometerbereich aufweisen, fallen nicht unter die in dieser Anmeldung genannten Teilchen, bzw. Partikel der anthropogenen Substanzen. “Anthropogenic substances” are substances that are not created by nature but by humans, for example through industrial, commercial or municipal processes. They include, for example, plastics, but also pesticides, pharmaceuticals, personal care products and industrial chemicals as well as their degradation products and metabolites. Biomolecules that are created by microorganisms (e.g. enzymes, DNA/RNA fragments, etc.) and have similar sizes in the nanometer range do not fall under the particles or particles of anthropogenic substances mentioned in this application.
Bei dem oben angegebenen erfindungsgemäßen Verfahren kann die erste Probe, die aus dem nach dem Inkubieren vorliegenden flüssigen Anteil des Gemisches aus Flüssigkeit und Superabsorber entnommen wird, der gesamte verbliebene flüssige Anteil sein. Es ist aber auch möglich, nur ein Teilvolumen des vorliegenden flüssigen Anteils als erste Probe zu entnehmen. In the above-mentioned method according to the invention, the first sample taken from the liquid portion of the mixture of liquid and superabsorbent present after incubation can be the entire remaining liquid portion. However, it is also possible to take only a partial volume of the liquid portion present as the first sample.
Die erste Probe kann unmittelbar für eine nachfolgende Analyse verwendet werden, z.B. mittels eines spektroskopischen Verfahrens. Sie kann aber auch in einem kaskadierenden Verfahren in einer oder mehreren zusätzlichen Stufen weiter aufkonzentriert werden, z.B. durch erneute Zugabe eines Superabsorbers bzw. erneutes Zugeben zu einem Superabsorber und erneutes Inkubieren oder mittels eines herkömmliches Verfahren zur Aufkonzentrierung von Zielsubstanzen, z.B. durch eines der einleitend angegebenen Verfahren. Wird nur ein Teil des flüssigen Anteils als erste Probe entnommen, kann die Zielsubstanz im nach der Probenentnahme verbliebenen flüssigen Anteil des Gemisches durch erneutes Inkubieren über einen zweiten Zeitraum weiter aufkonzentriert werden. Beide Varianten des Verfahrens können mehrmals wiederholt durchgeführt werden, so dass auf jeder Stufe der kaskadierten Aufkonzentrierung eine höhere Konzentration der Zielsubstanz erhalten wird. The first sample can be used immediately for subsequent analysis, e.g. using a spectroscopic method. It can also be further concentrated in a cascading process in one or more additional stages, e.g. by adding a superabsorbent again or adding it to a superabsorbent again and incubating again, or by using a conventional method for concentrating target substances, e.g. using one of the methods given in the introduction. If only part of the liquid portion is taken as the first sample, the target substance in the liquid portion of the mixture remaining after sampling can be further concentrated by incubating again for a second period. Both variants of the process can be repeated several times so that a higher concentration of the target substance is obtained at each stage of the cascaded concentration.
Vorteilhaft ist es, in einer ersten Stufe das initiale Probenvolumen mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Verwendung eines Superabsorbers zu reduzieren, und in einer nachfolgenden zweiten Stufe eine weitere Aufkonzentrierung der Zielsubstanz mittels einer herkömmlichen Aufkonzentrierungs-Technik, z.B. Filtration, Ultrafiltration, Präzipitationsreaktion, Ultrazentrifugation oder einer Anreichung mittels des in EP 2283026 B1 beschriebenen Verfahrens, durchzuführen. Diese bekannten Techniken sind in bereits reduzierten Probenvolumina deutlich effizienter als in stärker verdünnten Lösungen einsetzbar. Somit eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren dazu, bekannte Verfahren zur Aufkonzentrierung von Nanopartikeln, bzw. Nanoteilchen für großvolumige und/oder die Zielsubstanz nur in geringer Konzentration enthaltende Probenflüssigkeiten deutlich zu vereinfachen. It is advantageous to reduce the initial sample volume in a first step by means of the method according to the invention using a superabsorbent, and in a subsequent second step to further concentrate the target substance by means of a conventional concentration technique, e.g. filtration, ultrafiltration, precipitation reaction, ultracentrifugation or enrichment using the method described in EP 2283026 B1. These known techniques can be used much more efficiently in already reduced sample volumes than in more diluted solutions. The method according to the invention is therefore suitable for significantly simplifying known methods for concentrating nanoparticles or nanoparticles for sample liquids with large volumes and/or which only contain the target substance in low concentrations.
Wie erwähnt, kann das Verfahren in einer vorteilhaften Ausgestaltung nach dem Entnehmen der ersten Probe eine weitere Aufkonzentrierung der Zielsubstanz in der entnommenen ersten Probe umfassen. As mentioned, in an advantageous embodiment, the method may comprise a further concentration of the target substance in the first sample taken after the first sample has been taken.
Die weitere Aufkonzentrierung der Zielsubstanz in der entnommenen ersten Probe kann mittels einer Filtrations-, Ultrafiltrations- oder Präzipitationsreaktions-Technik durchgeführt werden. Further concentration of the target substance in the first sample taken can be carried out by means of a filtration, ultrafiltration or precipitation reaction technique.
Die weitere Aufkonzentrierung der Zielsubstanz in der entnommen ersten Probe kann alternativ aber auch erneut - und optional kaskadierend ein- oder mehrfach wiederholt - durchgeführt werden durch Ausführen der folgenden Verfahrensschritte: Alternatively, the further concentration of the target substance in the first sample taken can also be carried out again - and optionally repeated in cascading fashion once or several times - by carrying out the following process steps:
- Zugeben eines Superabsorbers zu der ersten Probe oder Zugeben der ersten Probe zu dem Superabsorber, - adding a superabsorbent to the first sample or adding the first sample to the superabsorbent,
- Inkubieren des aus dem Superabsorber (5) und der ersten Probe gebildeten Gemisches über einen zweiten Zeitraum, und - incubating the mixture formed from the superabsorbent (5) and the first sample for a second period of time, and
- Entnehmen einer aufkonzentrierten ersten Probe des nach dem Inkubieren vorliegenden flüssigen Anteils des Gemisches. - Taking a concentrated first sample of the liquid portion of the mixture after incubation.
Ganz analog wie zuvor bei der ersten Stufe der Kaskade beschrieben, kann die aufkonzentrierte erste Probe, die aus dem nach dem Inkubieren verbliebenen flüssigen Anteil entnommene aufkonzentrierte erste Probe das gesamte Volumen des flüssigen Anteils umfassen. Alternativ kann die aufkonzentrierte erste Probe ein Teilvolumen des verbliebenen flüssigen Anteils sein. In a manner analogous to that described above for the first stage of the cascade, the concentrated first sample taken from the liquid portion remaining after incubation can comprise the entire volume of the liquid portion. Alternatively, the concentrated first sample can be a partial volume of the remaining liquid portion.
Die Zielsubstanz kann in der aufkonzentrierten ersten Probe oder in einer durch weitere Aufkonzentrierung, insbesondere mittels eines Superabsorbers, erhaltenen weiter aufkonzentrierten ersten Probe mittels einer Filtrations-, Ultrafiltrations- oder Präzipitationsreaktion noch weiter aufkonzentriert werden. Dies ist vorteilhaft, wenn das Volumen der aufkonzentrierten ersten Probe nur noch einigen Millilitern, z.B. 1 bis 10 ml, entspricht. The target substance can be further concentrated in the concentrated first sample or in a further concentrated first sample obtained by further concentration, in particular by means of a superabsorbent, by means of a filtration, ultrafiltration or precipitation reaction. This is advantageous if the volume of the concentrated first sample corresponds to only a few milliliters, e.g. 1 to 10 ml.
Wie bereits erwähnt, kann das erfindungsgemäße Verfahren zur Aufkonzentrierung der Zielsubstanz in dem nach Entnehmen der ersten Probe aus dem verbliebenen flüssigen Anteil des Gemisches aus dem ursprünglich eingesetzten Flüssigkeitsvolumen und dem Superabsorber folgende weitere Schritte umfassen: erneutes - und optional kaskadierend ein- oder mehrfach wiederholtes - Aufkonzentrieren der Zielsubstanz in dem nach Entnahme der ersten Probe verbliebenen flüssigen Anteil des Gemisches durch - erneutes Inkubieren des nach dem Entnehmen der ersten Probe verbliebenen Gemisches aus dem verbliebenen flüssigen Anteil und dem Superabsorber über einen dritten Zeitraum; und As already mentioned, the method according to the invention for concentrating the target substance in the liquid portion of the mixture remaining after taking the first sample can comprise the following further steps: renewed - and optionally cascading one or more times repeated - concentration of the target substance in the liquid portion of the mixture remaining after taking the first sample by - re-incubating the mixture of the remaining liquid portion and the superabsorbent remaining after the first sample has been taken for a third period; and
- Entnehmen einer zweiten Probe des nach dem erneuten Inkubieren vorliegenden flüssigen Anteils des Gemisches. - Taking a second sample of the liquid portion of the mixture after re-incubation.
Durch das erneute Inkubieren wird das Volumen des flüssigen Anteils weiter verringert und entsprechend die Zielsubstanz im flüssigen Anteil weiter aufkonzentriert. Die Konzentration der Zielsubstanz wird dabei unter anderem von der vorgebbaren Dauer des dritten Zeitraums und die während des Inkubierens herrschenden Bedingungen bestimmt. By incubating again, the volume of the liquid portion is further reduced and the target substance in the liquid portion is further concentrated. The concentration of the target substance is determined, among other things, by the predeterminable duration of the third period and the conditions prevailing during incubation.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann das initial eingesetzte Flüssigkeitsvolumen eine polare Flüssigkeit, insbesondere als Hauptbestandteil, enthalten. In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Flüssigkeitsvolumen ein polares Lösungsmittel, insbesondere als Hauptbestandteil, enthalten. Beispielsweise kann das Flüssigkeitsvolumen zu einem Massenanteil von mindestens 50 % aus einem polaren Lösungsmittel bestehen. Die polare Flüssigkeit bzw. das polare Lösungsmittel kann beispielsweise Wasser sein. In the method according to the invention, the initially used liquid volume can contain a polar liquid, in particular as the main component. In an advantageous embodiment of the method according to the invention, the liquid volume can contain a polar solvent, in particular as the main component. For example, the liquid volume can consist of a polar solvent to a mass fraction of at least 50%. The polar liquid or the polar solvent can be water, for example.
Die Zielsubstanz ist ein Nanopartikel, bzw. Nanoteilchen. Ein solches besteht aus einer anthropologen Substanz, insbesondere aus zumindest einem natürlichen Polymer, aus zumindest einem biokompatiblen synthetischen Polymer, aus einem anorganischen Material oder aus einem organischen Material. The target substance is a nanoparticle or nano particles. Such a substance consists of an anthropogenic substance, in particular of at least one natural polymer, of at least one biocompatible synthetic polymer, of an inorganic material or of an organic material.
Wie erwähnt, kann der Superabsorber in einer vorteilhaften Ausgestaltung ein Kunststoff sein oder einen Kunststoff umfassen, der einen Anteil des Flüssigkeitsvolumens, z.B. ein in dem Flüssigkeitsvolumen enthaltenes polares Lösungsmittel wie beispielsweise Wasser, unter Bildung eines Gels bzw. Hydrogels aufnimmt. Vorteilhaft ist der Kunststoff so ausgewählt, dass er keine im Wesentlichen keine Nanoteilchen aufnimmt. Dies ist beispielsweise bei den erwähnten Superabsorbern aus den genannten Polymer- bzw. Copolymermaterialien, z.B. bei den kommerziell erhältlichen Wasserperlen, Waterbeads etc. der Fall. As mentioned, in an advantageous embodiment the superabsorbent can be a plastic or comprise a plastic that absorbs a portion of the liquid volume, e.g. a polar solvent contained in the liquid volume such as water, to form a gel or hydrogel. The plastic is advantageously selected so that it absorbs essentially no nanoparticles. This is the case, for example, with the mentioned superabsorbents made from the mentioned polymer or copolymer materials, e.g. with the commercially available water pearls, water beads, etc.
Der Superabsorber kann in Form von Partikeln, z.B. als Pulver, als Granulat oder in Form geometrischer Körper, insbesondere Kugeln (kugelförmige Partikel), eingesetzt werden. Er kann dem Flüssigkeitsvolumen bzw. der ersten Probe somit in Form solcher Partikel zugegeben werden oder das Flüssigkeitsvolumen bzw. die erste Probe kann dem Superabsorber in dieser Form zugegeben werden. Die Partikel oder Kugeln können einen Durchmesser zwischen 100 bis 5000 pm aufweisen. The superabsorbent can be used in the form of particles, e.g. as a powder, as granules or in the form of geometric bodies, in particular spheres (spherical particles). It can thus be added to the liquid volume or the first sample in the form of such particles or the liquid volume or the first sample can be added to the superabsorbent in this form. The particles or spheres can have a diameter of between 100 and 5000 pm.
Vorteilhafterweise handelt es sich bei dem Superabsorber um kommerziell erhältliche Superabsorber- Kugeln, beispielsweise um unter den Bezeichnungen „Aquabeads“, „Water Beads“, „Wasserperlen“, „Aquaperlen“, „Hydrokugeln“, „Gelkugeln“ erhältliche Superabsorber-Kugeln. In einer vorteilhaften Verfahrensausgestaltung kann das Volumen des nach dem Schritt des Inkubierens verbleibenden flüssigen Anteils, und damit die Konzentration der Zielsubstanz im verbleibenden flüssigen Anteil, durch die Länge des Zeitraums oder der Zeiträume des Inkubierens, durch die Größe und Anzahl der dem initial eingesetzten Flüssigkeitsvolumen der Probenflüssigkeit bzw. der ersten Probe zugesetzten Superabsorber-Partikel oder Superabsorber-Kugeln, und/oder durch die während des Inkubierens herrschende Temperatur gesteuert werden. Advantageously, the superabsorbent is commercially available superabsorbent beads, for example superabsorbent beads available under the names “Aquabeads”, “Water Beads”, “Water Pearls”, “Aqua Beads”, “Hydro Beads”, “Gel Beads”. In an advantageous embodiment of the method, the volume of the liquid portion remaining after the incubation step, and thus the concentration of the target substance in the remaining liquid portion, can be controlled by the length of the incubation period or periods, by the size and number of superabsorbent particles or superabsorbent spheres added to the initially used liquid volume of the sample liquid or the first sample, and/or by the temperature prevailing during incubation.
Es kann vorgesehen sein, dass die Probeflüssigkeit ein Filtrat oder einen Zentrifugationsüberstand darstellt. Es werden also vor dem Aufkonzentrieren bereits ein oder mehrere Trennschritte unternommen, um weitere Bestandteile aus der Probe zu entfernen. The sample liquid may be a filtrate or a centrifugation supernatant. This means that one or more separation steps are carried out before concentration in order to remove further components from the sample.
Eine Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass die Probeflüssigkeit eine Umweltprobe darstellt. Eine Umweltprobe wird aus der Umwelt genommen, beispielsweise aus Gewässern wie Seen oder Flüssen. Aber auch beispielsweise Sediments- oder Gasproben, die anschließend mit einer Flüssigkeit vermischt werden, werden als Umweltprobe bezeichnet. One embodiment of the method provides that the sample liquid is an environmental sample. An environmental sample is taken from the environment, for example from bodies of water such as lakes or rivers. But sediment or gas samples, for example, which are then mixed with a liquid, are also referred to as environmental samples.
Die Erfindung umfasst außerdem weiterhin ein Verfahren zum Nachweis einer anthropogenen Zielsubstanz in einer Probenflüssigkeit, umfassend: The invention further comprises a method for detecting an anthropogenic target substance in a sample liquid, comprising:
- Aufkonzentrieren der Probenflüssigkeit mittels des erfindungsgemäßen Aufkonzentrierungsverfahrens mittels der Superabsorber, und - Concentrating the sample liquid by means of the concentration method according to the invention using the superabsorbents, and
- Durchführen eines physikalischen Detektionsverfahrens zur qualitativen und/oder quantivativen Bestimmung der anthropogenen Zielsubstanz. - Carrying out a physical detection procedure for the qualitative and/or quantitative determination of the anthropogenic target substance.
Das physikalische Detektionsverfahren dient dazu festzustellen, ob sich bestimmte Nanopartikel, bzw. Nanoteilchen in der aufkonzentrierten Probe befinden, bzw. wie hoch deren Konzentration ist. Im initialen Flüssigkeitsvolumen wären diese mittels des physikalische Detektionsverfahren nicht feststellbar, da deren Konzentration zu gering ist. Für die qualitativen und/oder quantitativen Bestimmung wird ein Mikroskop verwendet. Hier werden beispielsweise in einem Ausschnitt definierter Größe die Nanopartikel, bzw. Nanoteilchen gezählt. Alternativ wird ein Fluoreszenz-Messverfahren oder ein spektroskopisches Messverfahren verwendet. Hierzu müssen die Nanopartikel, bzw. The physical detection method is used to determine whether certain nanoparticles or nano particles are present in the concentrated sample and how high their concentration is. In the initial liquid volume, these would not be detectable using the physical detection method because their concentration is too low. A microscope is used for qualitative and/or quantitative determination. Here, for example, the nanoparticles or nano particles are counted in a section of a defined size. Alternatively, a fluorescence measuring method or a spectroscopic measuring method is used. For this, the nanoparticles or nano particles must be
Nanoteilchen einen Fluoreszenzfarbstoff aufweisen, welcher insbesondere vor dem Aufkonzentrieren ein Fluoreszenzfarbstoff hinzugegeben wird. Nanoparticles contain a fluorescent dye, which is added in particular before concentration.
Die Erfindung umfasst außerdem eine Verwendung eines Superabsorbers zur einmalig oder mehrfach kaskadierend durchgeführten Aufkonzentrierung der anthropogenen Zielsubstanz in einer Flüssigkeitsprobe. Die Flüssigkeitsprobe kann eine polare Flüssigkeit, insbesondere Wasser, enthalten, wobei der Superabsorber dazu eingerichtet ist, die polare Flüssigkeit, z.B. Wasser, bzw. mindestens einen Teil der polaren Flüssigkeit, unter Bildung eines Hydrogels aufzunehmen. Der Superabsorber kann aus den oben beschriebenen Materialien gebildet sein und in den zuvor beschriebenen Ausgestaltungen als Granulat oder, besonders bevorzugt, in Form von Kugeln, insbesondere kommerziell erhältlichen Wasserperlen, Water Beads oder Aqua Beads, verwendet werden. The invention also includes the use of a superabsorbent for the one-time or multiple cascading concentration of the anthropogenic target substance in a liquid sample. The liquid sample can contain a polar liquid, in particular water, wherein the superabsorbent is designed to absorb the polar liquid, e.g. water, or at least a portion of the polar liquid, to form a hydrogel. The superabsorbent can be formed from the materials described above and in the previously described Embodiments as granules or, particularly preferably, in the form of beads, in particular commercially available water beads, water beads or aqua beads, can be used.
Die kaskadierte Aufkonzentrierung kann mehrere Stufen umfassen. Nach jeder Stufe kann eine Probe zur Analyse entnommen und der Prozess der Aufkonzentrierung fortgesetzt werden oder die nach Inkubation der Probe mit dem Superabsorber in mindestens einer Stufe aufkonzentrierte Probe oder ein Teil der Probe kann nachfolgend mit anderen bekannten Verfahren weiter aufkonzentriert werden. The cascaded concentration can comprise several stages. After each stage, a sample can be taken for analysis and the concentration process continued, or the sample or part of the sample concentrated in at least one stage after incubation of the sample with the superabsorbent can subsequently be further concentrated using other known methods.
Die Erfindung umfasst außerdem ein Kit zur Durchführung des voranstehend beschriebenen Verfahrens. Das Kit kann beispielsweise ein oder mehrere Behältnisse mit vorgelegtem Superabsorber umfassen, in das ein Nutzer dann ein initiales Flüssigkeitsvolumen zur Aufkonzentrierung oder eine bereits in einer ersten Stufe aufkonzentrierte Probe zugeben kann. The invention also includes a kit for carrying out the method described above. The kit can, for example, include one or more containers with superabsorbent material, into which a user can then add an initial volume of liquid for concentration or a sample that has already been concentrated in a first stage.
Die gemäß dem beschriebenen Verfahren bzw. gemäß der beschriebenen Verwendung aufkonzentrierte Flüssigkeit, d.h. der nach dem Inkubieren vorliegende flüssige Anteil, oder eine aus der aufkonzentrierten Flüssigkeit entnommene Probe kann manuell oder automatisiert einem Laborgerät für die weitere Behandlung oder Analyse zugeführt werden. In einer möglichen Ausgestaltung des Verfahrens oder der Verwendung kann eine solche Flüssigkeit oder Probe der Flüssigkeit in eine Kartusche, insbesondere eine mikrofluidische Kartusche, eines automatischen Analysegeräts zur automatisierten Durchführung eines Nachweises der Zielsubstanz mittels eines eines physikalischen Detektionsverfahrens zur qualitativen und/oder quantitativen Bestimmung der anthropogenen Zielsubstanz. Dies kann manuell oder automatisiert erfolgen. The liquid concentrated according to the described method or according to the described use, i.e. the liquid portion present after incubation, or a sample taken from the concentrated liquid can be fed manually or automatically to a laboratory device for further treatment or analysis. In one possible embodiment of the method or use, such a liquid or sample of the liquid can be fed into a cartridge, in particular a microfluidic cartridge, of an automatic analysis device for the automated implementation of a detection of the target substance by means of a physical detection method for the qualitative and/or quantitative determination of the anthropogenic target substance. This can be done manually or automatically.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren und einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert. Diese Beispiele stellen keine Limitierung der erfindungsgemäßen Mittel und Verfahren dar. Es zeigen The invention is explained in more detail below with reference to the figures and some embodiments. These examples do not represent a limitation of the means and methods according to the invention. They show
Fig. 1 eine schematische Darstellung der kaskadierenden Aufkonzentrierung einer Zielsubstanz in einer Flüssigkeit: a) Flüssigkeit vor dem Zusetzen eines Superabsorbers; b) Flüssigkeit nach dem Zusetzen eines Superabsorbers und Inkubieren des Gemisches; c) Aus dem Gemisch entnommene erste Probe nach Zusetzen eines weiteren Superabsorbers und Inkubieren des Gemisches; d) Verbliebenes Gemisch aus Flüssigkeit und Superabsorber, ggfs. nach Entnehmen der ersten Probe und nach erneutem Inkubieren; Fig. 1 is a schematic representation of the cascading concentration of a target substance in a liquid: a) liquid before adding a superabsorbent; b) liquid after adding a superabsorbent and incubating the mixture; c) first sample taken from the mixture after adding another superabsorbent and incubating the mixture; d) remaining mixture of liquid and superabsorbent, if applicable after taking the first sample and after incubating again;
Fig. 2 eine Darstellung von Proben und Leerproben, die teilweise mittels des erfindungsgemäßen Aufkonzentrierens gewonnen und mit UV-Licht exponiert wurden; und Fig. 3 Auswertungen der Messdaten: a) eine grafische Darstellung der Mittelwerte der Messwerte in einem Balkendiagramm; b) eine Korrelation zwischen dem Aufkonzentrierungsgrad und der Fluoreszenzzunahme der Proben. Fig. 2 is a representation of samples and blank samples, some of which were obtained by means of the concentration according to the invention and exposed to UV light; and Fig. 3 Evaluation of the measurement data: a) a graphical representation of the mean values of the measured values in a bar chart; b) a correlation between the degree of concentration and the increase in fluorescence of the samples.
Die Verwendung von Superabsorbern zur Aufkonzentrierung einer Zielsubstanz, insbesondere von Nanopartikeln, bzw. Nanoteilchen, in einer polaren Flüssigkeit als Lösungsmittel, beispielsweise Wasser, zur Aufkonzentrierung der Zielsubstanz in der Flüssigkeit ist sehr einfach und universell einsetzbar. Ein geeignetes Verfahren ist anhand von Fig. 1 a und b wie folgt kurz beschrieben: The use of superabsorbents to concentrate a target substance, in particular nanoparticles, in a polar liquid as a solvent, for example water, to concentrate the target substance in the liquid is very simple and universally applicable. A suitable method is briefly described using Fig. 1 a and b as follows:
1 . Zugabe eines Superabsorbers 2 zu einem Volumen einer, insbesondere wässrigen, Flüssigkeit 1 , oder alternativ: Zugabe der Flüssigkeit 1 zu einem vorgelegten Superabsorber 2; 1. Addition of a superabsorbent 2 to a volume of a, in particular aqueous, liquid 1, or alternatively: addition of the liquid 1 to a superabsorbent 2 provided;
2. Inkubation des Gemisches aus der Flüssigkeit 1 und dem Superabsorber 2 über einen ersten Zeitraum t1 zur Einengung (Volumenreduzierung) des flüssigen Anteils 3 des Gemisches; und anschließend 2. Incubation of the mixture of the liquid 1 and the superabsorbent 2 over a first period of time t1 to reduce the volume of the liquid portion 3 of the mixture; and then
3. Überführung mindestens einer ersten Probe 4 des flüssigen Anteils 3 des Gemisches in ein neues Gefäß als Probe zur weiteren Bearbeitung. 3. Transfer at least a first sample 4 of the liquid portion 3 of the mixture into a new vessel as a sample for further processing.
Die weitere Bearbeitung kann beispielsweise ein quantitativer und/oder qualitativer Nachweis der in der Flüssigkeit befindlichen Zielsubstanz sein. Der Nachweis erfolgt beispielsweise mithilfe eines, spektroskopischen oder mikroskopischen Verfahrens. Further processing can, for example, be a quantitative and/or qualitative detection of the target substance in the liquid. The detection is carried out using a spectroscopic or microscopic method, for example.
Der Grad der Aufkonzentrierung und die Geschwindigkeit dieses Prozesses können sehr genau mittels der Art des eingesetzten Superabsorbers, mittels seiner eingesetzten Menge, oder mittels der Inkubationszeit und/oder der Inkubationstemperatur gesteuert werden. The degree of concentration and the speed of this process can be controlled very precisely by the type of superabsorbent used, by the amount used, or by the incubation time and/or the incubation temperature.
Mit dem Verfahren kann damit das Problem der Bearbeitung von niedrigkonzentrierten Proben für eine weitere Bearbeitung der interessierenden Zielsubstanzen, insbesondere Nanoteilchen, bzw. Nanopartikeln, oder deren Nachweis einfach gelöst werden. Das in Fig. 1 a und b dargestellte Verfahren kommt ohne Geräte wie z.B. Ultrazentrifugen, teure Ultrafiltrationsmembranen, aufwändige Verfahren wie PEG-Fällungen oder generell Fällungsreaktionen zur Aufkonzentrierung von Nukleinsäuren etc. aus. Darüber hinaus ist das Verfahren in Bezug auf die Art der Nanoteilchen, bzw. Nanopartikeln universell einsetzbar. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Superabsorber ungiftig und ungefährlich und oftmals auch biologisch abbaubar sind. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann damit die Untersuchung von niedrigkonzentrierten Nanoteilchen, bzw. Nanopartikeln stark vereinfacht werden. The method can therefore easily solve the problem of processing low-concentration samples for further processing of the target substances of interest, in particular nanoparticles, or their detection. The method shown in Fig. 1 a and b does not require equipment such as ultracentrifuges, expensive ultrafiltration membranes, complex processes such as PEG precipitation or general precipitation reactions for concentrating nucleic acids, etc. In addition, the method can be used universally with regard to the type of nanoparticles. A further advantage is that the superabsorbents are non-toxic and harmless and often biodegradable. The method according to the invention can therefore greatly simplify the examination of low-concentration nanoparticles.
Bei großvolumigen und/oder stark verdünnten Flüssigkeiten, die die Nanoteilchen, bzw. Nanopartikeln in einer sehr geringen Konzentration enthalten, kommt eine kaskadierende Aufkonzentrierung der Zielsubstanz in Frage. Zum Beispiel kann in einer ersten Stufe das beschriebene Verfahren mit den oben genannten Schritten 1-3 eingesetzt werden, um die Zielsubstanz aufzukonzentrieren. In einer zweiten Stufe kann die erste Probe 4 zur erneuten Aufkonzentrierung der Zielsubstanz in ihrem Volumen reduziert werden. Dies kann entweder mittels eines herkömmlichen Filtrations- oder Präzipitationsverfahrens oder anderer herkömmlicher Methoden geschehen. Alternativ kann die erneute Aufkonzentrierung der Zielsubstanz in der ersten Probe 4 aber auch, wie in Fig. 1 c dargestellt, durch Zugeben von frischem Superabsorber 5 zu der ersten Probe 4, bzw. Überführung der ersten Probe 4 zu einem neuen Superabsorber 5, und erneutes Inkubieren über einen zweiten Zeitraum t2 erfolgen. Zusätzlich oder alternativ kann der nach der Entnahme der ersten Probe 4 im Gemisch mit dem Superabsorber 2 verbliebene flüssige Anteil 6 durch Inkubieren des Gemisches über einen dritten Zeitraum t3 weiter reduziert werden, wie in Fig. 1 d dargestellt. Dies führt zum weiteren Aufquellen unter olumenvergrößerung der aus dem Superabsorber 2 bestehenden Kugeln und zur weiteren Volumenreduktion des flüssigen Anteils 6, die mit einer Konzentrationserhöhung der Zielsubstanz in dem flüssigen Anteil 6 einhergeht. For large volume and/or highly diluted liquids that contain the nanoparticles or nanoparticles in a very low concentration, a cascading concentration of the target substance is an option. For example, in a first step, the described method with the above-mentioned steps 1-3 can be used to concentrate the target substance. In a In the second stage, the volume of the first sample 4 can be reduced to reconcentrate the target substance. This can be done either by means of a conventional filtration or precipitation process or other conventional methods. Alternatively, the reconcentration of the target substance in the first sample 4 can also be done, as shown in Fig. 1 c, by adding fresh superabsorbent 5 to the first sample 4, or transferring the first sample 4 to a new superabsorbent 5, and incubating again for a second period t2. Additionally or alternatively, the liquid portion 6 remaining in the mixture with the superabsorbent 2 after the first sample 4 has been taken can be further reduced by incubating the mixture for a third period t3, as shown in Fig. 1 d. This leads to further swelling with volume increase of the spheres consisting of the superabsorbent 2 and to further volume reduction of the liquid portion 6, which is accompanied by an increase in the concentration of the target substance in the liquid portion 6.
In beiden alternativen Verfahrenspfaden können kaskadierend weitere Aufkonzentrierungs-Stufen folgen. In both alternative process paths, further concentration stages can follow in cascading fashion.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung genauer beschrieben. In the following, an embodiment of the invention is described in more detail.
Ausführungsbeispiel: Aufkonzentrierung von mit Rhodamin B gefüllten Latexnanopartikeln (0 25,8 nm) in einer Wasserprobe Example: Concentration of Rhodamine B-filled latex nanoparticles (0 25.8 nm) in a water sample
Die Latexnanopartikel wurden vom Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung zur Verfügung gestellt. Die Konzentration der Latexpartikel in der Stammlösung betrug 2,02 M%. Die Partikel wurden in eine Wasserprobe von 500 ml gegeben und dabei eine 1 :10.000-fache Verdünnung hergestellt. The latex nanoparticles were provided by the Fraunhofer Institute for Applied Polymer Research. The concentration of the latex particles in the stock solution was 2.02 M%. The particles were added to a 500 ml water sample, thereby producing a 1:10,000-fold dilution.
Nachfolgend wurden der Wasserprobe ein Superabsorber in Form von kommerziell verfügbaren „Waterbeads“ zugegeben. Während der Aufkonzentrierung durch die Aufnahme von Wasser in die Wasserkügelchen wurden zu unterschiedlichen Zeiten Proben PO, P1 , P2 entnommen, die damit jeweils unterschiedlichen Aufkonzentrierungen entsprachen. Subsequently, a superabsorbent in the form of commercially available “water beads” was added to the water sample. During the concentration process by absorbing water into the water beads, samples PO, P1, P2 were taken at different times, each of which corresponded to a different concentration.
Die Proben sind unterteilt in Leerproben L0, L1 , L2 zur Kontrolle (ohne Latexnanopartikel) und Proben PO, P1 , P2, die die Latexnanopartikel enthalten. Konkret handelt es sich bei den Proben um folgende: Leerprobe L0: Reinstwasser ohne Latexpartikel (500 ml) Leerprobe L1 : Einengung der 500 ml Reinstwasser auf 40 ml Reinstwasser Leeprobe L2: weitere Einengung von L 1 auf 1 ml Reinstwasser Probe PO: 1 :10.000 Verdünnung der Latexpartikel-Stammlösung in 500 ml Reinstwasser Probe P1 : Einengung der 500 ml Reinstwasser auf 40 ml Reinstwasser Probe P2: weitere Einengung von P 1 auf 1 ml Reinstwasser Der Nachweis der Partikel in den jeweiligen Proben erfolgte mittels der Fluoreszenzmessung des in den Latexnanopartikeln enthaltenen Farbstoffs. The samples are divided into blank samples L0, L1, L2 for control (without latex nanoparticles) and samples PO, P1, P2, which contain the latex nanoparticles. Specifically, the samples are as follows: Blank sample L0: ultrapure water without latex particles (500 ml) Blank sample L1: concentration of 500 ml ultrapure water to 40 ml ultrapure water Blank sample L2: further concentration of L 1 to 1 ml ultrapure water Sample PO: 1:10,000 dilution of the latex particle stock solution in 500 ml ultrapure water Sample P1: concentration of 500 ml ultrapure water to 40 ml ultrapure water Sample P2: further concentration of P 1 to 1 ml ultrapure water The particles in the respective samples were detected by measuring the fluorescence of the dye contained in the latex nanoparticles.
Fig. 1 zeigt einen qualitativen Nachweis der Latexnanopartikeln. Hierfürwurden die jeweiligen Proben PO, P1 , P2 und die Leerproben LO, L1 , L2 in jeweils dreifacher Ausführung auf eine UV-durchsichtige Messplatte überführt. Die Messplatte mit den Proben wurde dann mit UV-Licht exponiert. Durch die Exponierung mit UV-Licht erfolgt eine Fluoreszenzanregung in denjenigen Proben, in welchen sich Latexpartikel befinden. Zu sehen ist keine Fluoreszenz in den Leerproben LO, L1 , L2 und eine mit zunehmender Aufkonzentrierung sich erhöhende Fluoreszenz der Proben PO, P1 , P2, welche die Latexnanopartikel enthalten. Fig. 1 shows a qualitative detection of the latex nanoparticles. For this, the respective samples PO, P1, P2 and the blank samples LO, L1, L2 were transferred in triplicate to a UV-transparent measuring plate. The measuring plate with the samples was then exposed to UV light. Exposure to UV light stimulates fluorescence in the samples that contain latex particles. No fluorescence can be seen in the blank samples LO, L1, L2 and an increasing fluorescence with increasing concentration in the samples PO, P1, P2, which contain the latex nanoparticles.
Die Tabelle 1 zeigt eine quantitative Vermessung der jeweiligen Proben mithilfe eines Fluoreszenzmessgeräts. Die Messungen erfolgen bei einer Anregung der Proben PO, P1 , P2 und der Leerproben LO, L1 , L2 (in jeweils dreifacher Ausführung) bei einer Emmission von 559 nm. Während die Werte der Leerproben LO, L1 , L2 mit der Aufkonzentrierung stabil niedrig bleiben, wachsen die Werte derjenigen Proben PO, P1 , P2, welche die Nanopartikel enthalten, proportional zum Aufkonzentrierungsgrad an. Table 1 shows a quantitative measurement of the respective samples using a fluorescence measuring device. The measurements are carried out by exciting the samples PO, P1, P2 and the blank samples LO, L1, L2 (each in triplicate) at an emission of 559 nm. While the values of the blank samples LO, L1, L2 remain stable and low with concentration, the values of the samples PO, P1, P2 that contain the nanoparticles increase proportionally to the degree of concentration.
Tabelle 1 :
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Table 1 :
Figure imgf000013_0001
In Fig. 2 sind die gemessenen und in Tabelle 1 aufgeführten Messwerte grafisch dargestellt, bzw. ausgewertet. In Fig. 2a) sind die Mittelwerte der jeweiligen Messwerte einer Probe als Balkendiagramm dargestellt. In Fig. 2b) ist eine Korrelation zwischen dem Aufkonzentrierungsgrad und der Fluoreszenzzunahme der Proben PO („1“), P1 („2“) und P2 („3“), welche Nanopartikel enthielten, dargestellt. In Fig. 2, the measured values listed in Table 1 are graphically displayed or evaluated. In Fig. 2a), the mean values of the respective measured values of a sample are shown as a bar chart. In Fig. 2b), a correlation is shown between the degree of concentration and the increase in fluorescence of the samples PO ("1"), P1 ("2") and P2 ("3"), which contained nanoparticles.
Die Daten des Versuchs zeigen eindeutig, dass die fluoreszierenden Latexnanopartikel der Probe nicht in den eingesetzten Superabsorber („Waterbeads“) hineindiffundieren, sondern in der Außenlösung verbleiben und somit die Konzentration der Latexnanopartikel kontinuierlich und korrespondierend zum Aufkonzentrierungsgrad steigt. Bezugszeichenliste The data from the experiment clearly show that the fluorescent latex nanoparticles of the sample do not diffuse into the superabsorbent (“water beads”) used, but remain in the external solution and thus the concentration of the latex nanoparticles increases continuously and in correspondence with the degree of concentration. List of reference symbols
1 intiales Flüssigkeitsvolumen1 initial fluid volume
2, 5 Superabsorber 2, 5 Superabsorbent
3, 6 flüssiger Anteil der des Gemischs 4 erste Probe t1 , t2, t3 Zeiträume 3, 6 liquid portion of the mixture 4 first sample t1, t2, t3 time periods
L0, L1 , L2 Leerproben L0, L1 , L2 blank samples
PO, P1 , P2 Proben PO, P1, P2 samples

Claims

Patentansprüche Patent claims
1. Verfahren zur Aufkonzentrierung mindestens einer anthropogenen Zielsubstanz in einer Probenflüssigkeit, welche anthropogene Zielsubstanz aus Partikeln und/oder Teilchen mit einer durchschnittlichen Partikel-, bzw. Teilchengröße im Nanometerbereich besteht, umfassend: 1. A method for concentrating at least one anthropogenic target substance in a sample liquid, which anthropogenic target substance consists of particles and/or particles with an average particle size in the nanometer range, comprising:
- Zugeben eines Superabsorbers (2) zu einem initialen Flüssigkeitsvolumen (1) der Probenflüssigkeit oder Zugeben des Flüssigkeitsvolumens (1) zu dem Superabsorber (2), - adding a superabsorbent (2) to an initial liquid volume (1) of the sample liquid or adding the liquid volume (1) to the superabsorbent (2),
- Inkubieren des aus dem Superabsorber (2) und dem Flüssigkeitsvolumen (1) gebildeten Gemisches über einen ersten Zeitraum (t1), und - incubating the mixture formed from the superabsorbent (2) and the liquid volume (1) over a first period of time (t1), and
- Entnehmen einer ersten Probe (4) des nach dem Inkubieren vorliegenden flüssigen Anteils (3) des Gemisches. - Taking a first sample (4) of the liquid portion (3) of the mixture after incubation.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , weiter umfassend eine weitere Aufkonzentrierung der anthropogenen Zielsubstanz in der entnommenen ersten Probe (4). 2. The method according to claim 1, further comprising a further concentration of the anthropogenic target substance in the taken first sample (4).
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die weitere Aufkonzentrierung der Zielsubstanz in der entnommenen ersten Probe (4) mittels einer Filtrations-, Ultrafiltrations- oder Präzipitationsreaktions-Technik durchgeführt wird. 3. The method according to claim 2, wherein the further concentration of the target substance in the taken first sample (4) is carried out by means of a filtration, ultrafiltration or precipitation reaction technique.
4. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die weitere Aufkonzentrierung der Zielsubstanz in der entnommen ersten Probe (4) erneut durchgeführt wird durch: 4. The method according to claim 2, wherein the further concentration of the target substance in the first sample (4) taken is carried out again by:
- Zugeben eines Superabsorbers (5) zu der ersten Probe oder Zugeben der ersten Probe zu dem Superabsorber (5), - adding a superabsorbent (5) to the first sample or adding the first sample to the superabsorbent (5),
- Inkubieren des aus dem Superabsorber (5) und der ersten Probe gebildeten Gemisches über einen zweiten Zeitraum (t2), und - incubating the mixture formed from the superabsorbent (5) and the first sample for a second period of time (t2), and
- Entnehmen einer aufkonzentrierten ersten Probe des nach dem Inkubieren vorliegenden flüssigen Anteils des Gemisches. - Taking a concentrated first sample of the liquid portion of the mixture after incubation.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Zielsubstanz in der aufkonzentrierten ersten Probe oder in einer durch weitere5. The method according to claim 4, wherein the target substance is present in the concentrated first sample or in a further
Aufkonzentrierung, insbesondere mittels eines Superabsorbers (5), erhaltenen weiter aufkonzentrierten ersten Probe mittels einer Filtrations-, Ultrafiltrations- oder Präzipitationsreaktion noch weiter aufkonzentriert wird. The further concentrated first sample obtained by concentration, in particular by means of a superabsorbent (5), is further concentrated by means of a filtration, ultrafiltration or precipitation reaction.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, weiter umfassend: erneutes Aufkonzentrieren der Zielsubstanz in dem nach Entnahme der ersten Probe verbliebenen flüssigen Anteil des Gemisches durch - erneutes Inkubieren des nach dem Entnehmen der ersten Probe verbliebenen Gemisches aus dem verbliebenen flüssigen Anteil und dem Superabsorber (2) über einen dritten Zeitraum (t3); und6. Method according to one of claims 1 to 5, further comprising: reconcentrating the target substance in the liquid portion of the mixture remaining after taking the first sample by - re-incubating the mixture of the remaining liquid portion and the superabsorbent (2) remaining after the first sample has been taken for a third period (t3); and
- Entnehmen einer zweiten Probe des nach dem erneuten Inkubieren vorliegenden flüssigen Anteils des Gemisches. - Take a second sample of the liquid portion of the mixture after re-incubation.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Flüssigkeitsvolumen (1) eine polare Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, enthält. 7. Method according to one of claims 1 to 6, wherein the liquid volume (1) contains a polar liquid, for example water.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Partikel, bzw. Teilchen, der anthropogenen Zielsubstanz aus zumindest einem natürlichen Polymer, aus zumindest einem biokompatiblen synthetischen Polymer, aus einem anorganischen Material oder aus einem organischen Material bestehen. 8. The method according to claim 7, wherein the particles of the anthropogenic target substance consist of at least one natural polymer, of at least one biocompatible synthetic polymer, of an inorganic material or of an organic material.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Superabsorber (2, 5) einen Kunststoff umfasst, der einen Anteil des Flüssigkeitsvolumens, Wasser, unter Bildung eines Hydrogels aufnimmt. 9. Method according to one of claims 1 to 8, wherein the superabsorbent (2, 5) comprises a plastic which absorbs a portion of the liquid volume, water, to form a hydrogel.
10. Verfahren nach Anspruch 8 und 9, wobei der Kunststoff im Wesentlichen keine in der anthropogenen Zielsubstanz enthaltenen Partikel, bzw. Teilchen, aufnimmt. 10. The method according to claim 8 and 9, wherein the plastic absorbs substantially no particles contained in the anthropogenic target substance.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Superabsorber (2, 5) in Form von Partikeln, z.B. als Pulver, als Granulat oder in Form geometrischer Körper, insbesondere Kugeln, eingesetzt wird. 11. Method according to one of claims 1 to 10, wherein the superabsorbent (2, 5) is used in the form of particles, e.g. as a powder, as granules or in the form of geometric bodies, in particular spheres.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , wobei der Superabsorber (2, 5) in Form von, insbesondere kommerziell erhältlichen, Wasserperlen, Hydrokugeln, Aquaperlen, Aquabeads, Waterbeads, oder Gelkugeln, eingesetzt wird. 12. Method according to one of claims 1 to 11, wherein the superabsorbent (2, 5) is used in the form of, in particular commercially available, water pearls, hydrospheres, aqua pearls, aquabeads, waterbeads, or gel beads.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das Volumen des nach dem Inkubieren verbleibenden flüssigen Anteils (3) durch Länge des Zeitraums oder der Zeiträume (t1 , t2, t3) des Inkubierens und/oder durch die Art und/oder die Menge des Superabsorbers (2, 5) und/oder durch die während des Inkubierens herrschende Temperatur des Gemisches gesteuert wird. 13. Method according to one of claims 1 to 12, wherein the volume of the liquid portion (3) remaining after incubation is controlled by the length of the period or periods (t1, t2, t3) of incubation and/or by the type and/or amount of superabsorbent (2, 5) and/or by the temperature of the mixture prevailing during incubation.
14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Superabsorber (2, 5) in Form von Partikeln, z.B. als Pulver, als Granulat oder in Form geometrischer Körper, insbesondere Kugeln, eingesetzt wird, und wobei das Volumen des nach dem Inkubieren verbleibenden flüssigen Anteils durch die Größe und/oder Anzahl der Partikel gesteuert wird. 14. The method according to claim 13, wherein the superabsorbent (2, 5) is used in the form of particles, e.g. as a powder, as granules or in the form of geometric bodies, in particular spheres, and wherein the volume of the liquid portion remaining after incubation is controlled by the size and/or number of particles.
15. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Probeflüssigkeit ein Filtrat oder einen Zentrifugationsüberstand darstellt 15. Method according to one of the preceding claims, wherein the sample liquid is a filtrate or a centrifugation supernatant
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei die Probeflüssigkeit eine Umweltprobe darstellt. 16. The method according to any one of claims 1 to 15, wherein the sample fluid is an environmental sample.
17. Verfahren zum Nachweis einer anthropogenen Zielsubstanz in einer Probenflüssigkeit, umfassend:17. A method for detecting an anthropogenic target substance in a sample fluid, comprising:
- Aufkonzentrieren der Probenflüssigkeit mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 14,- Concentrating the sample liquid by means of a method according to one of claims 1 to 14,
- Durchführen eines physikalischen Detektionsverfahrens zur qualitativen und/oder quantitativen Bestimmung der anthropogenen Zielsubstanz. - Carrying out a physical detection procedure for the qualitative and/or quantitative determination of the anthropogenic target substance.
18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Bestimmung unter einem Mikroskop stattfindet. 18. The method according to claim 17, wherein the determination takes place under a microscope.
19. Verfahren nach Anspruch 17, wobei das physikalischen Detektionsverfahren ein Fluoreszenz- Messverfahren oder ein spektroskopisches Messverfahren ist. 19. The method according to claim 17, wherein the physical detection method is a fluorescence measuring method or a spectroscopic measuring method.
20. Verfahren nach Anspruch 19, wobei bei Verwendung eines UV- oder Fluoreszenzverfahrens der Probenflüssigkeit vor dem Aufkonzentrieren ein Fluoreszenzfarbstoff hinzugegeben wird. 20. The method of claim 19, wherein when using a UV or fluorescence method, a fluorescent dye is added to the sample liquid before concentration.
21. Verwendung eines Superabsorbers (2, 5) zur einmalig oder mehrfach kaskadierend durchgeführten Aufkonzentrierung mindestens einer Zielsubstanz in einer Flüssigkeitsprobe. 21. Use of a superabsorbent (2, 5) for the single or multiple cascading concentration of at least one target substance in a liquid sample.
22. Verwendung nach Anspruch 21 , wobei die Partikel, bzw. Teilchen, der anthropogenen Zielsubstanz aus zumindest einem natürlichen Polymer, aus zumindest einem biokompatiblen synthetischen Polymer, aus einem anorganischen Material oder aus einem organischen Material bestehen. 22. Use according to claim 21, wherein the particles of the anthropogenic target substance consist of at least one natural polymer, of at least one biocompatible synthetic polymer, of an inorganic material or of an organic material.
23. Verwendung nach Anspruch 21 oder 22, wobei die Flüssigkeitsprobe eine polare Flüssigkeit, insbesondere Wasser, enthält, und wobei der Superabsorber (2, 5) dazu eingerichtet ist, die polare Flüssigkeit unter Bildung eines Hydrogels aufzunehmen. 23. Use according to claim 21 or 22, wherein the liquid sample contains a polar liquid, in particular water, and wherein the superabsorbent (2, 5) is adapted to absorb the polar liquid to form a hydrogel.
24. Kit zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 20. 24. Kit for carrying out the method according to one of claims 1 to 20.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070111194A1 (en) * 2003-12-15 2007-05-17 Preentec Ag Method for the concentration and purification of biological compounds
US20130231460A1 (en) * 2010-09-08 2013-09-05 Qiagen Gmbh Method and device for concentrating target compounds
EP2283026B1 (en) 2008-05-08 2017-11-01 AJ Innuscreen GmbH Method for concentrating and isolating biomolecules or viruses
WO2021065300A1 (en) * 2019-09-30 2021-04-08 富士フイルム株式会社 Immunological test method and jig for condensation

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102017220514A1 (en) 2017-11-16 2019-05-16 Unisensor Sensorsysteme Gmbh Method and device for detecting foreign substances in a liquid medium
CN111771121A (en) 2018-02-26 2020-10-13 巴斯夫欧洲公司 Method for measuring permeability of superabsorbers
US11846645B2 (en) 2019-07-04 2023-12-19 Basf Se Method for determining characteristics of super-absorbents
DE102022130567A1 (en) 2021-11-22 2023-05-25 Ist Innuscreen Gmbh Method for the cascadable concentration of at least one target substance in a sample liquid
DE102022130395A1 (en) 2021-11-22 2023-05-25 Ist Innuscreen Gmbh Method for concentrating at least one target substance in a volume of liquid
DE102021134613A1 (en) 2021-12-23 2023-06-29 Ist Innuscreen Gmbh Method for concentrating at least one biological target substance in a sample liquid and method for automated online detection of at least one biological target substance in a sample liquid

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070111194A1 (en) * 2003-12-15 2007-05-17 Preentec Ag Method for the concentration and purification of biological compounds
EP2283026B1 (en) 2008-05-08 2017-11-01 AJ Innuscreen GmbH Method for concentrating and isolating biomolecules or viruses
US20130231460A1 (en) * 2010-09-08 2013-09-05 Qiagen Gmbh Method and device for concentrating target compounds
WO2021065300A1 (en) * 2019-09-30 2021-04-08 富士フイルム株式会社 Immunological test method and jig for condensation

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
WU XUNYI ET AL: "Synthesis and application of superabsorbent polymer microspheres for rapid concentration and quantification of microbial pathogens in ambient water", SEPARATION AND PURIFICATION TECHNOLOGY, ELSEVIER SCIENCE, AMSTERDAM, NL, vol. 239, 11 January 2020 (2020-01-11), XP085995912, ISSN: 1383-5866, [retrieved on 20200111], DOI: 10.1016/J.SEPPUR.2020.116540 *

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