Mehr als H2O: Die Technologie misst gleichzeitig 71 Elemente in Wasser und anderen Flüssigkeiten.

Ein neues Verfahren zur gleichzeitigen Messung von 71 anorganischen Elementen in Flüssigkeiten – darunter Wasser, Getränke und biologische Flüssigkeiten – macht die Elementprüfung viel schneller, effizienter und umfassender als bisher.

Die Forscher untersuchten Proben von Flüssigkeiten aus verschiedenen Quellen weltweit, darunter Leitungswasser aus einem Vorort von New York City, Schnee aus Italien und Kroatien, Regen aus Brasilien und Pakistan, Seewasser aus der Schweiz und Kroatien sowie Meerwasser aus Japan und Brasilien. Die Prüfung jeder Probe führt zu einem eindeutigen elementaren Muster und erzeugt einen „Fingerabdruck“, der helfen kann, zwischen Substanzen zu unterscheiden oder eine Flüssigkeit auf ihren ökologischen Ursprung zurückzuführen.

Die von Forschern des Isotopenlabors des NYU College of Dentistry entwickelte und in der von der Royal Society of Chemistry veröffentlichten Zeitschrift RSC Advances beschriebene Methode kann verwendet werden, um die Verteilung anorganischer Elemente über die wenigen hinaus zu erforschen und zu verstehen, die normalerweise gemessen werden. Es hat Auswirkungen auf Bereiche wie Ernährung, Ökologie und Klimawissenschaften sowie Umweltgesundheit.

Zur Messung von Elementen wird eine analytische Technik namens induktiv gekoppelte Plasma-Massenspektrometrie (ICP-MS) eingesetzt. Historisch gesehen haben ICP-MS-Geräte Elemente nacheinander oder einzeln gemessen, aber ein neuartiges ICP-MS-Gerät am NYU College of Dentistry und etwa zwei Dutzend anderen Orten auf der ganzen Welt hat das Potenzial, die gesamte Bandbreite anorganischer Elemente auf einmal zu messen.

„Durch diese neue Methode kann unser Massenspektrometer alle anorganischen Elemente von Lithium bis Uran gleichzeitig messen. Wir sind in der Lage, die Elemente in viel kürzerer Zeit, mit viel geringerem Aufwand und mit viel weniger Material zu messen“, sagte Timothy Bromage, Professor für Biomaterialien und Grundlagenforschung und kraniofaziale Biologie am NYU College of Dentistry und Senior Author der Studie.

Dieser technologische Fortschritt kann dazu beitragen, Lücken in unserem Verständnis von Elementverteilungen und Konzentrationen in Substanzen wie Wasser zu schließen. So überwacht und setzt die US-Umweltschutzbehörde U.S. Environmental Protection Agency maximale Konzentrationsgrenzwerte für 19 Elemente im Trinkwasser, die als gesundheitliche Risiken gelten, aber viele Elemente, von denen bekannt ist, dass sie gesundheitliche Folgen haben – wie Lithium oder Zinn – werden weder überwacht noch reguliert.

„Die elementare Zuordnung von Konzentrationen in Flaschen- und Leitungswasser könnte dazu beitragen, unser Verständnis von „normalen“ Konzentrationen der meisten Elemente im Wasser zu verbessern“, sagte Bromage.

Bromage und seine Kollegen entwickelten ein Verfahren zur gleichzeitigen ICP-MS zum Nachweis von 71 Elementen des anorganischen Spektrums mit einem spezifischen Satz von Kalibrierungen und internen Standards. Das zum Patent angemeldete Verfahren erfasst Elemente routinemäßig in Sekunden bis zu mehreren Minuten und in Proben von nur 1 bis 4 Millilitern.

Bromage und sein Forschungsteam testeten die Methode an Wasser, Getränken und biologischen Proben. Schnee enthielt die meisten Elemente einer Wasserprobe: 50 im Schnee, die in Italien gesammelt wurden, und 42 in einer Stichprobe aus Kroatien. „Solche Schneeauswertungen können ein neues und umfassendes Mittel zur Erfassung der atmosphärischen Elementkonzentrationen und zur Überwachung von Elementmustern in globalen Luftströmungen darstellen“, sagte Bromage.

Bei der Prüfung von Leitungswasser maßen die Forscher 37 Elemente, als der Wasserhahn zum ersten Mal eingeschaltet wurde, aber nur 34 Elemente, nachdem das Wasser fünf Minuten lang gelaufen war, was darauf hindeutet, dass Elemente wie Eisen und Zink aus Haushaltsleitungen in das Wasser auswaschen können.

Die Forscher maßen auch Elemente in Flaschenwasser, Bier, Wein und Milch sowie in Proben von Speichel, Urin und Blut. Milch unterschied sich von den anderen getesteten Getränken durch ihre hohen Konzentrationen an Titan, Zink, Palladium und Gold.

In jeder Stichprobe fanden Bromage und sein Team einen eindeutigen „Fingerabdruck“ oder ein elementares Muster, was darauf hindeutet, dass Proben anhand dieser Muster erkannt und differenziert werden können. Der Elementargehalt von Wasser zum Beispiel spiegelt typischerweise seine natürliche Umgebung wider, so dass das Verständnis der elementaren Zusammensetzung uns sagen kann, ob das Wasser aus einer Quelle mit vulkanischem Gestein gegenüber Kalkstein, einem alkalischen Gestein, stammt. Im abgefüllten Wasser beobachteten die Forscher Variationen, die wahrscheinlich darauf zurückzuführen sind, dass eine an der Quelle abgefüllt und eine für den Transport von der Quelle zur Abfüllanlage chloriert wurde.

Zukünftige Studien werden größere Proben von Wasser, Wein, Milch und anderen Flüssigkeiten messen und berichten; eine Studie mit mehr als 1.000 Weinen aus 34 Ländern wird derzeit durchgeführt. Darüber hinaus kann die Methode, sobald elementare Muster für bestimmte Umgebungen etabliert sind, angewendet werden, um Fragen in Bereichen zu beantworten, die sich auf die Gegenwart und die Vergangenheit beziehen, wie beispielsweise die Paläoumgebung und den Klimawandel.

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