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Nitrosaminanalytik – Kleinsten Chemikalien auf der Spur

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Im Institut für Sicherheitsforschung (ISF) am Campus Rheinbach der Hochschule Bonn-Rhein-Sieg widmet sich die Arbeitsgruppe der Nitrosaminanalytik unter der Leitung von Prof. Dr. Michaela Wirtz der Erforschung von gesundheitsgefährdenden Substanzen: den Nitrosaminen.

Nitrosamine gehören zu den sogenannten N-Nitrosoverbindungen. Sie sind giftig und besitzen zum großen Teil ein hohes kanzerogenes Potential, was sie in verschiedenen Bereichen des Arbeits-, Umwelt-, Verbraucher- und Produktschutzes immer wieder zu einem persistenten Problem macht.

Nitrosamine sind häufig bekannt aus öffentlichen Diskussionen im Rahmen von Verbraucher- und Arbeitssicherheit. Großes Aufsehen erregte so zum Beispiel der „Valsartanskandal“ im Jahr 2018, bei dem etliche Blutdrucksenker vom Markt genommen werden mussten, da eine Änderung im Syntheseverfahren des aktiven Wirkstoffes der Medikamente eine Verunreinigung mit dem krebserregenden Nitrosamin N-Nitrosodimethylamin (NDMA) hervorgerufen hatte.

An der Nitrosaminforschung begeistert mich nicht nur der reale Bezug und die reale Notwendigkeit im Rahmen des Arbeitsschutzes, sondern auch die technische Herausforderung, die wir uns mit unseren Zielen gestellt haben.

Jana Hinz , MSc
Wissenschaftliche Mitarbeiterin und Doktorandin an der H-BRS

Doch auch in anderen Industriebereichen, wie etwa der (Ab-) Wasseraufbereitung, der Kosmetik-, Nahrungsmittel- oder Reifenindustrie bilden Nitrosamine im Produkt oder in der Luft am Arbeitsplatz weiterhin einen wichtigen Fragenkomplex. Es gilt, die Exposition gegenüber den überwiegend flüchtigen Schadstoffen, die bereits im Spuren- bis Ultraspurenbereich gesundheitsbeeinträchtigende Wirkungen haben können, verlässlich einzuschätzen und zu überprüfen. Da die Bildung von Nitrosaminen in vielen industriellen Prozessen schnell und vielfältig verläuft, werden sensitive, robuste, kostengünstige und mobile Analysenverfahren benötigt, um eine zeitnahe Überwachung zu gewährleisten.

Ein Ausflug in das Labor der Nitrosaminanalytik

  • Arbeit am zwei-Linien GC-MS/ToF-IMS (Shimadzu, G.A.S.) mit automatisierter Probenvorbereitungsstation (Axel Semrau). Das Verknüpfen der individuellen Softwares erlaubt das automatische Messen einer Großzahl von verschiedenen Proben mit beiden Analysesystemen.

  • GC-Säulenofen der Shimadzu 2030 Serie als Teil des GC-MS/ToF-IMS Systems für die Nitrosaminanalytik. Rechts: Tritium-ToF-IMS der Firma G.A.S.

  • Schumann Analytics GC-FAIMS 2020 mit automatisierter Probenvorbereitungsstation (G.A.S.) für SPME/SPME-Arrow-Anreicherung, statischer Headspace- und dynamischer Headspace-Aufgabe. Das kompakte GC-FAIMS hat großes Potential, als mobiles System gestaltet zu werden.

  • Kalibrierung des Robotik-Arms des G.A.S. Autosamplers, installiert auf dem Schumann Analytics GC-FAIMS Instrument. Wenn der Arm die verschiedenen Postitionen ansteuern kann, kann die Analyse einer Vielzahl von Proben automatisch durchgeführt werden.

  • Kalibriergasgenerator der Firma Schumann Analytics zur Erstellung von präzise konzentrierten Nitrosamin-Gasstandards.

  • Händische Injektion eines flüssigen Nitrosamin-Mixes in das zwei-Linien GC-MS/ToF-IMS System (Shimadzu, G.A.S.)

  • Chromatogramm eines 9-Nitrosamin-Mixes, gelöst in destilliertem Wasser, angereichert aus der Gasphase mit SPME und Analysiert mit dem Schumann Analytics GC-FAIMS, ausgestattet mit einer Restek MXT-200 Kapillarsäule.

  • Permeationsröhrchen, die den puren Nitrosamin-Standard enthalten, werden in den Kalibriergasgenerator (Schumann Analytics) eingelegt, um ein Gas mit spezifischer Nitrosaminkonzentration zu erzeugen.

  • Schumann Analytics GC-FAIMS 2020 mit automatisierter Probenvorbereitungsstation (G.A.S.) für SPME/SPME-Arrow-Anreicherung, statischer Headspace- und dynamischer Headspace-Aufgabe. Das kompakte GC-FAIMS hat großes Potential, als mobiles System gestaltet zu werden.

Im Rahmen von zwei Projekten wird intensiv an der Entwicklung von hochsensitiven Systemen für die Nitrosaminanalytik geforscht. Hierbei basieren diese Messsysteme auf einer Kopplung von Gaschromatographie und Ionenmobilitätsspektrometrie, die sich optimal für die Analyse von stickstoffhaltigen Verbindungen eignet und diese hochempfindlich detektieren kann.

Die beiden Projekte „Nitr-O-Zon“ und „NNOccSafe“ werden dabei von Partnern aus verschiedenen Bereichen der Industrie und Forschung tatkräftig unterstützt, darunter die Firmen Schumann Analytics und Restek, sowie das Institut für Arbeitsschutz (IFA) der DGUV und das Institut für Energie- und Umwelttechnik (IUTA).

Das IFA ist seit vielen Jahren intensiv mit der Nitrosaminproblematik befasst. Nitrosamine können an bestimmten Arbeitsplätzen auftreten. Es gibt auch heute noch Fertigungsprozesse bei denen Nitrosamine als unerwünschte Reaktionsprodukte entstehen können, außerdem kann es bei Gebäuden nach der Umwidmung ihrer Nutzung z. B. bei ehemaligen Reifenlägern zu einer Altlastenproblematik kommen. Das IFA als Forschungsinstitut der gesetzlichen Unfallversicherer hat großes Interesse die Messung von Nitrosaminen in Arbeitsbereichen. Eine Zusammenarbeit im Rahmen dieses Projekts hält das IFA für sehr zielführend. Wir gehen davon aus, dass die Ergebnisse bei Messungen an Arbeitsplätzen zukünftig genutzt werden können.

Prof. Dr. rer. Nat. Dietmar Breuer
Head of Department Institut für Arbeitsschutz

Die Vernetzung mit Vertretern aus Industrie, Forschung und Wirtschaft ist ein stetes Ziel in unserer Arbeitsgruppe. Wenn auch Ihre Firma unsere Forschung unterstützen möchte oder einfach Interesse an unserer Analytik besteht, zögern Sie nicht uns mit Ihren Fragen und Ideen zu kontaktieren.


In der Podcast-Serie "Abendteuer Promotion" der H-BRS spricht Eva Tritschler am 27. September 2021 mit Jana Hinz über ihr Promotionsprojekt der Nitrosaminanalytik.

Projekte

Beispielprojekte aus Nitrosaminenanalytik

Nitr-O-Zon - Entwicklung von Verfahren zur Bestimmung und Elimination von Nitrosaminen bei der (Ab-)Wasseraufbereitung mittels Ozon

Zum Projekt

NNOccSafe - Entwicklung eines neuen Verfahrens zur Bestimmung von N-Nitrosaminen in der Luft am Arbeitsplatz im Rahmen der Arbeitssicherheit

Zum Projekt

Ziele in Worten

Es ist das Gesamtziel des Forschung, ein neues Verfahren bereitzustellen, mit dem in erster Linie die Nitrosamine in der Luft und in zweiter Linie auch in anderen Matrices empfindlicher als bisher bei gleichzeitiger Robustheit und Ergebnisvalidität gemessen werden können. Dazu sehen wir die Entwicklung eines neuen, möglichst hoch-automatisierten Labor-Messsystems auf Basis der Kopplung der Gaschromatographie mit verschiedenen ionenmoblitätsspektrometrischen Detektoren (IMS), einer multifunktionalen Injektorseite und einer modernen, hoch-wirksamen Anreicherungstechnologie vor. In den längerfristigen Fokus wird zusätzlich die Neuentwicklung einer ins Messsystem integrierbaren (on-/inline) Probenahme- und Anreicherungstechnik gelegt, mit dem Augenmerk, über ein Laborsystem hinaus ein vor-Ort-einsetzbares Analysensystem für eine herstellbegleitende Analyse direkt am Arbeitsplatz zu ermöglichen. Generell soll das Potential bestehen, die entwickelte Methodik nicht nur auf Nitrosamine anzuwenden, sondern auch auf weitere gesundheitsgefährdende Spurenstoffe zu übertragen.

Das schnelle und verlässliche Feststellen auch von kleinsten Nitrosamin-Konzentrationen ist essentiell, um Mitarbeiter:innen/Verbraucher:innen mit Hilfe geeigneter Präventionsstrategien zuverlässig vor der Entwicklung einer Krebserkrankung zu schützen. Mit einem Messverfahren, welches die bisherigen Möglichkeiten zur Bestimmung der minimalsten Konzentration übertrifft, besteht die Möglichkeit,  neue technische Standards für geeignete Schutz- oder Eliminierungsstrategien für diese Schadstoffklasse zu setzen. Hierzu können bspw. die Festlegung neuer Regularien im Bereich persönlicher Schutzausrüstung, zur Substitution von Nitrosamin-bildenden Stoffen sowie allgemeine, technische und organisatorische Schutzmaßnahmen zählen. Ebenso kann eine neue Messmethodik eine extrem wichtige Basis für neue Grenzwertfestlegungen am Arbeitsplatz wie auch zur Nachverfolgung verschiedener Expositionspfade sein. All dies soll dazu dienen, die Präventionsmöglichkeiten von krebsbedingten Berufskrankheiten aufgrund der Exposition gegenüber Nitrosaminen deutlich zu erhöhen und dadurch die Berufsgenossenschaften hinsichtlich ihrer Obligation, Unfall- und Krankheitsfolgen durch Geldzahlungen finanziell zu entlasten. Unfallkassen und Berufsgenossenschaften müssen feststellen, ob die Ursache für eine Erkrankung tatsächlich die Bedingungen am Arbeitsplatz waren – durch eine nachweisstärkere Methode lassen sich falsch negative Analysenergebnisse besser vermeiden und die gerechte Versorgung von berufserkrankten Arbeitern kann verwirklicht werden. Auf Basis der genauen Bestimmung der Exposition des Arbeiters gegenüber Nitrosaminen kann eine exakte, umfassende Gefährdungsbeurteilung erstellt werden.

Speziell KMU (Klein- und mittelständische Unternehmen) aus den erwähnten Branchen haben zumeist keine Möglichkeit zur umfangreichen, hausinternen Entwicklung komplexer Spurenanalytik. Wenn alle Entwicklungsschritte und Optimierungsschritte abgeschlossen sind, lässt sich aus den gewählten Optimalkomponenten nachfolgend eine ökonomisch günstige Messtechnik konzipieren, weil in der Basis bereits auf kostengünstige Detektoren geachtet wird und aus dem Probenvorbereitungsportfolio sich letztlich eine einzige Technologie für den konkreten Anwendungsfall herauskristallisieren soll. Dies soll einen wirtschaftlichen Anreiz speziell für KMU schaffen.

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Ihre Projektansprechpartner:innen

Prof. Dr. Michaela Wirtz

Dekanin und Professorin im Fachbereich Angewandte Naturwissenschaften: Chemie insbesondere
Instrumentelle Analytik und Physikalische Chemie
 

Projekte: NNOccSafe (2021), Nitr-O-Zon (2019)

"Ich forsche an Nitrosaminen weil mich dieses
spannende Thema seit 11 Jahren aus
unterschiedlichsten Positionen beschäftigt und es
darin auch weiterhin Forschungsbedarf gibt."

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Jana Hinz, MSc
Wissenschaftliche Mitarbeiterin und Doktorandin

Projekte: NNOccSafe (2021), Nitr-O-Zon (2019)

"An der Nitrosaminforschung begeistert mich nicht
nur der reale Bezug und die reale Notwendigkeit im
Rahmen des Arbeitsschutzes, sondern auch die
technische Herausforderung, die wir uns mit
unseren Zielen gestellt haben."

Zum Kontakt

 

Hendrik Sakowsky, BSc
Wissenschaftliche Hilfskraft

Projekte: NNOccSafe (2021), Nitr-O-Zon (2019)

"Durch mein großes Interesse an der instrumentellen
Analytik, sowie der Arbeitssicherheit, bin ich schon
während meines Bachelorstudiums als SHK mit der
Nitrosaminanalytik "in Berührung" gekommen. Im
Rahmen meiner Bachelorarbeit habe ich mich mit
em Nachweis von Nitrosaminen im Spuren- bis
Ultraspurenbereich beschäftigt, wodurch mein
Interesse an diesem Bereich zusätzlich bestärkt
wurde. Deshalb freue ich mich besonders als WHK
weiterhin in diesem zukunftsträchtigen
Forschungsfeld mitwirken zu können."

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Yannic Schneck, BSc
Wissenschaftliche Hilfskraft

Projekte: NNOccSafe (2021)

"An der Nitrosaminforschung begeistert mich nicht
nur der reale Bezug und die reale Notwendigkeit im
Rahmen des Arbeitsschutzes, sondern auch die
technische Herausforderung, die wir uns mit
unseren Zielen gestellt haben."

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Ihre Ansprechpartner:innen

  • Das Bild zeigt Frau Baumgartner.

    Frau

    Sabine Baumgartner

    Forschungsbereich Soziales und Gesundheit / Deutschlandstipendium

    sabine.baumgartner@h-brs.de
    +49 2241 865 - 791

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  • Frau

    Birgit Jendrock

    Unternehmenstag

    birgit.jendrock@h-brs.de
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    Innovations- und Netzwerkmanagement

  • Das Bild zeigt Frau Sarah-Lorraine Kriebisch

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    Sarah-Lorraine Kriebisch

    Forschungsbereich Kommunikation und Medien / H-BRS-InnoCom / Innovation Mall

    sarah-lorraine.kriebisch@h-brs.de
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    Innovations- und Netzwerkmanagement

  • Das Bild zeigt Frau Lopes da Silva.

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    Alexandra Lopes da Silva

    Forschungsbereich Sicherheitsforschung / Jobportal / Unternehmen am Campus

    alexandra.lopes@h-brs.de
    +49 2241 865 - 677

    Innovations- und Netzwerkmanagement

     

  • Frau

    Stephanie Lorek

    stephanie.lorek@h-brs.de
    +49 2241 865 9832

    Nachhaltigkeitsmanagerin der Hochschule

  • Das Bild zeigt Frau Karolin Nassrollahi

    Frau

    Karolin Nassrollahi

    Netzwerk- und Veranstaltungsmanagement

    karolin.nassrollahi@h-brs.de
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  • Das Bild zeigt Herr Fabian Tenk.

    Herr

    Fabian Tenk

    Forschungsbereich Energiesysteme und Mobilität / Forschungsbereich Ressourcenoptimierte Produkte und Prozesse

    fabian.tenk@h-brs.de
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    Fidegon Witte

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    fidegnon.witte@h-brs.de
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Kleinsten Chemikalien auf der Spur. Doktorandin Jana Hinz arbeitet daran, ein neues Verfahren für die Messung von giftigen Nitrosaminen in der Luft zu entwickeln und damit den Arbeitsschutz in der Industrie voran zu treiben.