PDF-4 - papa-gey.de

papa.gey.de

PDF-4 - papa-gey.de

www.papa-gey.deToxikologie/MedizinBio/AnalytikKolloquien 2011Hochschule Zittau/GörlitzUniversity of Applied SciencesFG BiotechnologieKolloquium 4/2011Dr. rer. nat. habil. Jürgen MatuschHelmholtz-Zentrum Leipzig (UFZ)Department Analytikzum Thema„Analytik von Arsen-Spezies“,LC-ICP-MS“Zeit:Mittwoch, 11. Mai 2011, 15.00 UhrOrt: Haus IV, Raum 0.04Alle Interessenten, KollegInnen undStudentInnen sind sehr herzlich eingeladen!gez.:Prof. Dr. rer. nat. habil. Manfred GeyPs.:Im Anschluss (ca. ab 16.30 Uhr) findet noch eineNachsitzung bei Kaffee/Getränk/Suppe in der„Mäuseburg zu Zittau“ statt: Come as you are!


Nachsitzung auf dem Brauerei-Hügel, 11.05.2011,nach dem Kolloquium von Dr. Jürgen Mattusch „Analytik von Arsen-Spezies, IC-ICP-MS“„Arsen-Esser und –Trinker“ ???


Analytik von Arsen-Spezies mittelsHPLC/ICP-MS und HPLC/ESI-MSJ. Mattusch


Gliederung• Arsen – Vorkommen, Eigenschaften, Verwendung• Elementspezies – Definition und Beispiele• Analytik von Elementspezies (As-Spezies)• BeispieleSEITE 2


Arsen – Kontaminationen in der WeltSEITE 3


Verwendung von ArsenMetallurgie:Glasindustrie:Farbstoffe:Halbleiterindustrie:Holzschutzmittel:Landwirtschaft:Tierhaltung:Chem. Kampfmittel:Pharmazie / Medizin:Herstellung von Legierungen‚Klar‘macherScheele‘s Grün CuHAsO 3 , Schweinfürt-Grün(Kupferarsenit/Kupferacetat)AIIIBV – GaAs, InAsCrCuAsInsektizid, PestizidFutterzusatzstoff für Schweine und Geflügel(Roxarson)Leistungsteigerung für RennpferdeLewisite (Cl-CH=CH-AsCl 2 ) (im 1. Weltkrieg)Hippocrates (460-377 v.Chr.): Realgar Paste zurBehandlung von GeschwürenFowler (1809) Fowler‘sche Lösung (AlkalischeKaliumarsenitlösung) zur FiebersenkungP. Ehrlich (1854-1915) Salvarsan gegen die Syphilisp-Aminophenylarsonat (1905) Potential für Chemotherapieum 1950: Stärkungstrunk in ApothekenAlgenpräparate (Nahrungsergänzung, Schönheitsmittel)S-dimethylarsinoglutathione (ZIO-101) neues KrebsmittelSEITE 4


Geschichte des ArsensGriechisch: arsenikon männlichArabisch: sernik (as-sernik) gelbliches Mineral(Mischung aus Arsentrioxid und Arsensulfide)4. Jh. v.Chr. Aristoteles: Realgar (As 4S 4)Orpiment (As 2S 3) - Goldpigment1250 Albertus Magnus entdeckt AsMAArsenik als Gift19. Jh. - Arsenesser (Steiermark), 2 bis 3 x 30 mg(max. 370 mg As 20 3)- Reinlichkeit und Weichheit der Haut,Schönheit und Frische des Teints- Verbesserung der Atmung19. Jh. „Arsenräume“, Gosio‘s gas (Trimethylarsin)Biomethylierung20. Jh. Pharmazeutische und medizinische Nutzung1970-90 Trinkwasserbrunnen in Bangladesh1993 Trinkwassergrenzwert von 50 auf 10 µg/l (WHO)SEITE 5


As - Toxizität, EigenschaftenToxizität: As und seine Verbindungen sind toxisch, kanzerogen- Übelkeit, Erbrechen, Durchfall- Schädigung der Schleimhäute und Atemwege- Lungen-, Haut-, Nierenkrebs, Schwarzfußkrankheit u.v.m.Eigenschaften:Oxydationszustände-3 0 +3 +5AsH 3(CH 3 ) 3 As(CH 3 ) 2 AsHAsAs(III)As(OH) 3H 2 AsO 3-As(V)H 3 AsO 4H 2 AsO-4(CH 3 )As H 2HAsO 42-Arsen – Spezies ???SEITE 6PGS Ökotox


Chemische SpeziationIsotopenzusammensetzungAbhängigkeit vonAlter,Herkunft,Beeinflussung der ProbeElektronen-/ Oxid.-zuständeCr(III) / ChromatFe (II) / Fe (III)Hg(II)/ Hg 0As (III) / As (V)Nitrit / NitratSulfit / SulfatKomplex-/ MolekularstrukturAnorg. Verbind. und Kompl.Org. MetallchelateOrganometall. Verb.Methyl-Hg + , (C 2H 5) 4PbArsenozucker, ArsenobetainSelenomethioninMakromolek. Verb. und Kompl.Fe in Transferrin, Ferritin undHemoproteinenMe – HuminsäurenMe-Phytochelatin-Kompl.Beispiel 1204Pb,206Pb, 207 Pb Uran208Pb ThoriumBeispiel 216 O, 18 O T-abhäng. Abreich.,Abschätzung Climatrends u.geochem. ZyklenBeispiel 1Cr 3+ nicht toxisch2-Cr0 4 genotoxisch / kanzerogenBeispiel 2Hg(II) Aufnahme durch ZelleHg 0 Diffusion aus der ZelleBeispiel 1Ni 2+ nicht toxischNi 3 S 2 genotoxisch / kanzerogenBeispiel 2Detoxifizierung von Cd durchMetallothionine z.B. Cd 6 -Zn-MTSEITE 7


Toxische Wirkung von ArsenspeziesAffinität zu Schwefel(HSAB Prinzip)Analogie zu Phosphat(Struktur, pKa)ArsenitAs(OH) 3Bindung an Thiol-Gruppen(Peptide, Enzyme)ArsenatH 2AsO 4-Störung der oxidativenPhosporylierungDesaktivierungvon EnzymenSubstitution von PO 4 -Einheitenin Nukleotiden(AMP, ADP …)SEITE 8


Arsen und seine Verbindungen (Spezies) - AuswahlCH 3CH 3OHOHCH 3HO – As = O H 3 C – As = OHO –As–OHHO – As = O HO – As = OCH 3 CH 3CH 3CH 3OHOHArsensäure MonomethylarsonsäurarsinsäureDimethyl-20(Kaliumarsenat) 700-1800 700-2600HH – As – HArsinHH 3 C – As – CH 3DimethylarsinCH 3H 3 C – As – CH 3TrimethylarsinOHPhenyl – As = OOH3CH 3CH 3H 3 C – As + – CH 2 – COO - H 3 C – As + – CH 2 – CH 2 OH X -Arsenige Säure14(Kaliumarsenit)TrimethylarsinoxidPhenylarsonsäure50Arsenobetain>10000Arsenocholin>10000Rote Zahlen: LD 50[mg pro kg Gewicht der Ratte]SEITE 9Abhängigkeit der Toxizität von der Bindungsform des As


Arsenanalyse 2011 – Arsenspezies - AnalytikTrennmethodeDetektionsmethode(n)HPLC … High pressure liquid chromatographyICP-MS … Inductively coupled plasma mass spectrometryESI-MS … Electrospray ionization mass spectrometrySEITE 10


Warum Einsatz komplementärer MS - Methoden zur Arsen-Spezies Identifizierung?elementspezifischestrukturspezifischeICP-MSESI-MSµ -TOF-MSESI-MS n Q – TOF - MSEigenschaften der IonisierungMolekülTElement +T ICP = 8000 KT MIP = 4000 KMolekülE[Molekül +H] +E = ± 4000 V (pos., neg.)T = 350°CEigenschaften der MassenselektionQuadrupol Δm/z =1QuadrupolΔm/z =1Fragmentierung[M+H] + zu F1…FxPräzise MIsotopenmusterSEITE 11


Arsenspezies in der UmweltRoxarson - Metabolite in BödenArsenozucker in MeeresalgenArsenolipide im FischPhytochelatin Komplexe in PflanzenSEITE 12


Verhalten von Roxarson im System Boden/Wasser- 4-Hydroxy-3-Nitro-phenylarsonsäure- Futteradditiv für Schweine und Geflügel- Bodenkontamination durch Düngung?SEITE 13


Identifizierung der MetabolisierungsprodukteIntensity [cps]6x10 54x10 52x10 5HPLC-ICPMS/ESIMSABCESI-MSIC P -M SHPLC-ESIMSSEITE 15ABCRelative intensity %Relative intensity %Relative intensity %010050100500 5 10 15 20 25 30ESI(-)-MS1981682730100 150 200 250 300187m/zRetention tim e [m in]2891572600100 150 200 250 30010050m/z278296123 1721072340100 150 200 250 300m/z280[M-H] -Intensity x 10 2 [cps]Intensity x 10 3 [cps]Intensity x 10 3 [cps]15105ESI(-)-MS/MS1980100 150 200 250 30015105m/z2602782892960100 150 200 250 300m/z2802010123 1720100 150 200 250 300m/zHPLC-ESIMSMS


Identifizierung der MetabolisierungsprodukteESI-TOF-MS:HochauflösungIntensity x 10 4 [counts]321279.8996C288.9089A295.8951BO -NO 2NO 2AAsO 2ClO -BAsO0275 280 285 290 295 300Mass (m/z)NO 2COHPeak Formula [M-H] - exp[M-H] - calcΔm (ppm)ESI-MSESI-TOF-MSA C 6H 2AsN 2O 7289 288.9089 288.9083 2.1B C 6H 4AsClNO 6296 295.8951 295.8949 0.7C C 6H 4AsClNO 5280 279.8996 279.8999 -1.1SEITE 16


Arsenspezies in der UmweltRoxarson - Metabolite in BödenArsenozucker in MeeresalgenArsenolipide im FischPhytochelatin Komplexe in PflanzenSEITE 17


Arsen – Spezies in Meeresorganismen – Meeresalge „Wakame“Natürliche Gehalte an Arsen:Trinkwasser < 10 µg/lMeerwasser 1 – 2 µg/l Arsenat (Spuren Arsenit, MMA, DMA)Europ. Flüsse


Analyse von Arsenspezies in der Meeresalge Wakame (Undariapinnatifida)Problem: schlechte Extrahierbarkeit der As-SpeziesExtractability WAKAME [As]=46 mg/kgE(% )120100806040200Na2CO3 H2O NaOHExtractantshakingMWHauptbestandteil: Alginat ist ein Polysaccarid Monomereinheiten: α-L-Guluronsäureβ-D-Mannuronsäure 1,4 - glycosidisch in wechselndem Verhältnis zu linearen Ketten verbundenEigenschaften:1. Alginsäure ist wasserunlöslich Gelbildung im saurem Milieu2. Ca-Alginate sind unlöslich3. Stabilisierung durch Wassermoleküle4. Erzielung schlechter Extrahierbarkeiten????SEITE 19


Extraktion von Arsenspezies aus WakameLösungsansatz:Löslichkeit wird erhöht durch:- Austausch Ca 2+ gegen Na +- alkalisches MilieuIntensität [cps]100000900008000070000MW, NaOHIC-ICPMSMW, H 2O800075007000Intensität [cps]6000050000m/z 483650060004000055003000050002000045000 5 10 15 20 25 30 35Zeit [m in]SEITE 20


Abhängigkeit der Arsenspezies – Konzentrationen vonder NaOH KonzentrationArsengehalt einzelnerSpezies [ppm]353025201510500 10 20 30 40 50c(NaOH) [mM]Glycerolzucker Phosphatzucker m/z 391 UnbekanntInterpretation :Propylenglycolalginat (Gewinnung aus Braunalgen)= Ester der Alginsäure Phosphatzucker ist über Esterbindung an Matrix der Wakame gebunden VerseifungseffekteSEITE 21


Mögliche Reaktionen während der Extraktion mit NaOHAsZ-PO4EsterAlginateOH -m/z 483m/z 329OPO(OH) 2m/z 391SEITE 22


Arsenspezies in der UmweltRoxarson - Metabolite in BödenArsenozucker in MeeresalgenArsenolipide im FischPhytochelatin Komplexe in PflanzenSEITE 23


Arsen – Spezies in Meeresorganismen - DorschleberHydrophobe ArsenolipideOH 3 C AsCH 3polarunpolarFlüchtige Arsenolipide (C15-C21) in LebensmittelnAnalysenmethodeGaschromatographie mit ICPMS Detektion (elementselektiv m/z 75)Gaschromatographie mit EIMS Detektion (elementselektiv m/z 75)SEITE 24


Gaschromatographie von Arsenolipiden - ResümeeGC-EIMSGC-ICPMSESI-TOF-MSM-Om/z75[M+H] +High Resol.Isop. PatternStrukturenm/z316C17H37Asm/z333,2136OH 3 C AsCH 3m/z344C19H41Asm/z361,2446H 3 COAsCH 3m/z 388C23H37Asm/z405,2145OH 3 C AsCH 3SEITE 25


Arsenspezies in der UmweltRoxarson - Metabolite in BödenArsenozucker in MeeresalgenArsenolipide im FischPhytochelatin Komplexe in PflanzenSEITE 26


Phytochelatineenzymatisch synthetisierte Komplexbildner in Pflanzen zur Entgiftungvon Schwermetallen und ArsenSynthese aus Glutathion (γ-L-Glutamyl-L-cysteinylglycin )Kleine Peptide mit der allgemeinen Formel (γ-Glu-Cys) n -Gly (kurz: PC n )n=2-5iso-PCs: C-terminales Glycin ist ausgetauscht durch β-Alanin, Serin,GlutaminsäurePC ohne Glycin: Desglycin PC, desgly-PCSEITE 27


HPLC – ICPMS/ESIMSHornkraut (Ceratophyllum demersum)elementselektiv[2]mit N 2 schockgefrieren,pulverisierenExtraktion: 1,5 h, 8°C-HCOOH/H 2 O-NH 4 COOH/H 2 Ozentrifugieren,filtrierenmolekülselektiv[2] http://www.garnelenwelt.ch/shop/artikel_zeigen.php?cat=8SEITE 28


Analytische TechnikenHPLC – ICPMS / ESIMS Detektion800600ESIMS - Detektion von m/z-[M+H] + …z=1- [M+2H] 2+ …z=2400m/z 460 (GS-As-PC 2+2H) 2+200m/z 733 (Cys-As-PC 2+H) +m/z 630 (AsOHPC 2+H) +ESIMS (SIM)0m/z 75 (ICPMS)SEITE 29


Untersuchungen an Landpflanzen (Mais)Co-Kontamination mit Cd(II) und As(V)neutrales Extraktionsmittel, neutraler EluentHPLC - ICPMS[As-GS+3H] 3+128[As-Cd-PC 2 +2H] 2+ + [Cd-PC 2 +3H] 3+363 218[As-2Cd-PC 3 +3H] 3+ + [Cd-PC 3 +3H] 3+357 295[3As-Cd-PC 4 +3H] 3+447Komplexe mit As und Cd im neutralen MilieuvorhandenSEITE 30


Speziation von As in Reis100000Pflanzen kontaminiert mit 10µM Arsenate80000HPLC – ICPMS/ESIMS600004000020000M/Z 874 [serPC 3 -AsH] +M/Z 844 [PC 3 -As+H] +M/Z 733 [PC 2 -As-Cys+H] +M/Z 763 [serPC 2 -As-Cys+H] +M/Z 676 [DESPC 2 -As-Cys +H] +M/Z 660 [serPC 2 -As-OH + H] +M/Z 75SEITE 31


Zusammenfassung und AusblickDie Kombination von elementselektiver (ICP-MS) undmolekülsensitiver (ESI-qMS) MS Analyse erlaubt eine erste Charakterisierungvon Arsenspezies- Phenylarsonsäure – Metabolite- Arsenozucker in Meeresalgen- Arsenolipiden in Fischen,- Phytochelatin-Komplexe in Pflanzen.Eine exakte Identifizierung kann aber nur durch elementselektiver MS und- präziser Massenanalyse (TOF-MS),- die Möglichkeit der Isotopenmuster – Analyse (TOF-MS)- und der gezielten Fragmentierung der Precursor – Ionen (MS n )erfolgen.Mit der elementselektiven Detektion (HPLC-ICP-MS) können dieElementspezies quantifiziert werden.SEITE 32


Beteiligte Mitarbeiter und GästeUFZ Dep. AnalytikDr. R. WennrichDr. S. MothesDr. M. MöderA. Stenzel MSc.GästeP. Landsmann MSc. TH Leuna-MerseburgU. Arroyo-Abad MSc. Uni Puebla, MexikoDr. M. Elizalde - Gonzalez Uni Puebla, MexikoDr. S. Mishra Institut für Biochemie Lucknow, IndienPS: Anfragen für BSc. und MSc. Arbeitenbitte unterjuergen.mattusch@ufz.deSEITE 33

Weitere Magazine dieses Users
Ähnliche Magazine