Nano a menüben - vajúdás; több
Nanoanyagok
A műszakilag előállított nanoanyagok megtalálhatók az élelmiszer- és fogyasztási cikkeinkben. A nano-szilícium-dioxidot a ketchup folyékonyságához vagy só és fűszerek csepegtető segédanyagaként használják, a nano-titán-dioxid tartós fényt ad a csokoládénak, az ezüst nanorészecskék javítják a különféle ételek és csomagolásuk eltarthatóságát. A nanorészecskék nem szándékosan keletkezhetnek a hagyományos gyártási folyamatokban, vagy specifikusan előállíthatók és hozzáadhatók. De hol találhatók a nanorészecskék?
De hol találhatók a nanorészecskék?
Megfelelően leírták-e már az egészségügyi kockázatokat és a környezetben való elterjedést? És nem szabad elhanyagolni: mik a nanorészecskék? E kérdések megválaszolásához nem lehet megbízható elemzési módszerek nélkül. A Bonni Egyetem Élelmiszerkémiai Intézete az élelmiszerek nanorészecskéinek közvetlen elemzésével foglalkozik egyrészecskés ICP-MS felhasználásával.
Mik is valójában a nanorészecskék?
Ezt a kérdést intenzíven vitatják az Európai Unióban - jelenleg nincs végleges definíció [1,2]. Az 1? -? 100? Nm (egymilliárd méter) részecskék új, néha nagyon érdekes tulajdonságokkal rendelkeznek az „ömlesztett anyaghoz” képest, amelyeken számos innovatív ipari folyamat és mindennapi termék alapul. Ezeknek a részecskéknek a mérete nagyjából összefügg a futball-labda nagyságával, a focié pedig a föld átmérőjével. Az elején leírt sok alkalmazási példa azt mutatja, hogy a nanoipar virágzik.
Jogi helyzet és fogyasztóvédelem
Kevés kutatást végeztek azonban ezen anyagok környezetre és az emberi egészségre gyakorolt hatásáról. A jelenlegi vizsgálati helyzet nem zárja ki az egészségre gyakorolt káros hatást. A nanorészecske-adalékokat tartalmazó kozmetikumokat a 2013-ban hatályba lépett és ennek megfelelően címkézett EU-kozmetikai rendeletnek megfelelően kell bejelenteni. Az új 1169/2011 (LMIV) uniós élelmiszertájékoztató rendelet [3] szerint a nanorészecskék élelmiszerekben való felhasználása csak 2014 decembere óta kötelező az összetevők listájáról, a nanotechnológiai rendelet szempontjából azonban még nem korlátozott. A címkézés és a toxikológiai relevancia ellenőrzéséhez szükség van az élelmiszerekben található nanorészecskék, valamint a környezeti és szövetminták elemzésére. A nanorészecskék elemzésének módszerei azonban még nincsenek teljesen kidolgozva. Jelenleg nincsenek szabványos eljárások a nanorészecskék elemzésére, de a nanorészecskék mindenütt előforduló előfordulása már meglévő elemzési módszerekkel kimutatható.
A nanorészecskék elemzésekor a következő paramétereket kell figyelembe venni: elemi összetétel, részecskeméret, méreteloszlás és részecskeszám (koncentráció). A konvenció a nanorészecske-tartalom meghatározása egy elem számszerűsítése alapján. Tudni kell, hogy mely nanorészecskék vesznek részt. Ezenkívül feltételezzük, hogy a meghatározandó elem kizárólag nanorészecskés.
A vizes oldatok részecskeméretét leginkább a DLS (dinamikus fényszórás) határozza meg. Vannak röntgenszórási elemzések is, például a kis szögű szóráselemzés (SAXS). Ezek fontos információkat nyújtanak a nem kristályos rendszerek tisztított nanorészecske-oldatokból származó háromdimenziós szerkezetéről, ezért előnyösen technikai nanorészecskék jellemzésére szolgálnak. Ehhez képest a DLS gyorsabb eredményt nyújt, míg a röntgen alapú módszereket magas érzékenységük és specifitásuk jellemzi. Egy másik lehetőség a képalkotó módszerek, például transzmissziós elektron vagy atomi erő mikroszkópia. Ezek a módszerek azonban korlátozottak a célrészecske specifikációja szempontjából, és nagy számú részecskét igénylő mintákat igényelnek, amelyek egy mintalapra rögzíthetők. Ezenkívül a méreteloszlásokat csak korlátozott mértékben lehet mikroszkóposan meghatározni. [4]
Egy másik lehetőség a nanorészecskék előzetes szétválasztása és dúsítása. Mivel a nanorészecskék viszonylag alacsony töltete nem specifikus kölcsönhatásokhoz, vagy akár a molekulák irracionális kötéséhez vezethet álló fázisokhoz, az állófázis nélküli módszerek, például a tér-áramlásos frakcionálás (FFF) és a kapilláris elektroforézis alkalmasabbak, érzékeny detektorokkal kell [5]. A nagyobb mintatérfogat miatt a tér-áram frakcionálásnak előnye van a kapilláris elektroforézissel szemben. Az elektroforetikus folyamatok hidrodinamikai sugár és töltés szerint is elválnak, ami bonyolultabbá teszi az elválasztást [4].
Ebben az összefüggésben azt is meg kell említeni, hogy a nanorészecskék szinte soha nem állnak termodinamikai egyensúlyban az oldatban; a nanorészecske-rendszerek összetétele a pH-értéktől, az ionerősségtől vagy a hőmérséklet/fény hatásától függően nagyban változik. A kromatográfiás szétválasztás a nanorészecskék összetételének megváltoztatásának kockázatával jár.
Egyszemcsés ICP-MS (sp-ICP-MS) alkalmazásával mind a részecskék koncentrációja, mind a részecskék méreteloszlása meghatározható egyidejűleg és egy adott elem esetében. Ezenkívül egyértelműen meg lehet különböztetni a nanorészecskéket és az ionos elemzéseket. A módszer Degueldre-re nyúlik vissza [6], és az elmúlt években tovább fejlesztették. [7,8] ICP-MS (tömegspektrometria induktívan kapcsolt plazmával) segítségével a mintát először porlasztókamrában argongázzal porlasztják. Az aeroszolt egy argon plazmába viszik át, ahol az analitokat szárítják, porlasztják és ionizálják. A pozitív töltésű ionokat felgyorsítják, kúpos rendszeren keresztül fókuszálják, majd eljutnak a tömegelemzőhöz és végül a detektorhoz. Az 1. ábrán az sp-ICP-MS-t összehasonlítjuk a klasszikus ICP-MS értékeléssel. Az oldott ionok egyenletes ionáramként jutnak a detektorhoz, míg a nanorészecskékből készült analitok ionfelhők formájában jutnak el a detektorhoz.
Klasszikusan egy széles tömegtartományt vizsgálnak be egy szkennelési időn belül, így különböző elemek detektálhatók. A mérési időket "várakozási időnek" nevezik, amelyeket megszakít az "ülepítési idő", amelyben a quadrupole beállítások visszaállnak eredeti állapotukba.
Az egyrészecskés elemzés során a méréseket ülepedési idő nélkül végezzük, és kvázi folytonos jelet generálunk. A detektor által generált jelet idővel rögzítjük, így minden megjelenő csúcs megfelel a minta nanorészecskéjének. A csúcs intenzitása korrelál a nanorészecske méretével. A mérési elv azt is mutatja, hogy a legkisebb meghatározható nanorészecskeméret az, amelynél a jel éppen kiemelkedik a háttérzajból (beleértve az oldott ionokat is). A részecskeméret korlátozása az alsó tartományban (kb. 20 nm) az sp-ICP-MS legnagyobb korlátozása. Ezt az alsó mérethatárt befolyásolja az eszköz érzékenysége (az összes eszközparaméter), a nanorészecskék sztöchiometrikus összetétele, valamint az oldott ionok és nanorészecskék koncentrációaránya [4].
Az sp-ICP-MS egyik fő előnye az alacsony kimutatási határ. A nanorészecskék jóval az oldott ionok kimutatási határa alatt mérhetők, mivel a detektoron csak a jelek frekvenciája csökken, a jel intenzitása azonban nem. Míg a DLS-t főként 1 mg/L feletti részecskekoncentrációnál alkalmazzák, a Bonni Egyetemen a tüskés lémintákban (narancslé, almalé) ng/L tartományban lévő nanorészecskék már közvetlenül minták előkészítése nélkül elemezhetők sp-ICP-MS segítségével. A 2. és 3. ábra egy almalé-minta hisztogramjait mutatja, amelyet arany és ezüst nanorészecskékkel egészítettek ki. A különböző szemcseméret-eloszlások jól láthatók.
A magas specifitás, a nagyon alacsony detektálási határok és az alacsony mátrixérzékenység miatt ez a módszer nagyon alkalmas a nanorészecskék elemzésére olyan környezeti vagy élelmiszer-mintákban, amelyekben csak nagyon alacsony nanorészecskék koncentrációja várható.
A nanoipar gyors fejlődése, a toxikológiai vizsgálatok hiánya és az új címkézési követelmények erősen szükségessé teszik a nanorészecskék megbízható elemzési módszerét, különösen az alacsony koncentrációtartományban. A legígéretesebb módszerek jelenleg az ICP-MS-en alapulnak - mind a mező-áram frakcionálásával kombinálva, mind pedig közvetlenül az egyrészecskés ICP-MS alkalmazásával. Korábbi publikációk azonban nem mutatnak reális alkalmazást az élelmiszerekben. A Bonni Egyetem Élelmiszerkémiai Intézetében az első kísérleteket nyomon kell követni, és validált módszert kell kidolgozni a valódi élelmiszer-minták sp-ICP-MS elemzésére.