Feldflussfraktionierung zur Überprüfung der Nano-Kennzeichnung von Kosmetika

Nano oder nicht Nano?

Hält eine Nano-Kennzeichnung bei Kosmetika das, was sie verspricht? Analysenverfahren zur Verifizierung der Kennzeichnung befinden sich derzeit noch in der experimentellen Phase. Ein Ansatz zur Überprüfung von Titandioxid in kommerziell erhältlichen Sonnencremes ist die miniaturisierte AF4, gekoppelt mit UV- und MALS-Detektion sowie mit der ICP-MS zur Bestimmung der Partikelgrößenverteilung.

Bild 1: Nano-Kennzeichnung in der Zutatenliste von Sonnencreme. (Bild: Postnova Analytics)

In der Europäischen Union zugelassene Kosmetika unterliegen einer Kennzeichnungspflicht, sollten sie Nanomaterialien enthalten [1]. Die Kennzeichnung befindet sich dabei in der Zutatenliste in Form eines Nano in runder Klammer (nano) hinter der entsprechend nanopartikulär vorliegenden Substanz (Bild 1). Eine Überprüfung der Richtigkeit dieser Kennzeichnung stellt aufgrund der komplexen Zusammensetzung vieler Kosmetika jedoch erhebliche Herausforderungen an die Analytik.

Ein vielversprechender Ansatz zur Bestimmung des nanopartikulären Inhalts von Kosmetika ist die Kombination von inverser superkritischer Fluid-Extraktion und der miniaturisierten asymmetrischen Fluss-Feldflussfraktionierung, gekoppelt mit der UV-Spektroskopie, der Mehrwinkellichtstreuung und der induktiv-gekoppeltes Plasma Massenspektrometrie. Diese Kombination ermöglicht eine schnelle und umweltschonende Evaluierung der Menge sowie der Größenverteilung von Titandioxid-Nanopartikeln in kommerziell erhältlichen Sonnencremes und könnte damit den Weg hin zu einer zuverlässigen Überprüfung der Nano-Kennzeichnung von Kosmetika auch unter der Berücksichtigung der aktuell noch in Revision befindlichen Definitionsempfehlung der Europäischen Kommission zu Nanomaterialien ebnen [2].

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Feldflussfraktionierung
Unter dem Begriff Feldflussfraktionierung (FFF) fasst man flüssigkeitsbasierte Trennsysteme zusammen, bei denen die Trennung auf der Wechselwirkung von gelösten oder suspendierten Probenbestandteilen mit einem externen Trennfeld beruht. Die Trennung geschieht ohne Einsatz einer stationären Phase und ist deshalb besonders schonend, wobei das externe Trennfeld senkrecht zur Länge des Trennkanals wirkt und die Probenbestandteile aufsteigend nach ihrer Größe trennt (Bild 2).

Je nach eingesetztem Trennfeld kann man unterschiedliche FFF-Unterfamilien unterscheiden. In der asymmetrischen Fluss-FFF (AF4) wirkt ein zweiter Fluss, der sogenannte Querfluss, als Trennkraft. Die AF4 kann auch mit einem zusätzlichen elektrischen Modul betrieben werden (EAF4). Dies ermöglicht die Auftrennung nicht nur nach der hydrodynamischen Größe, sondern zusätzlich auch nach der elektrophoretischen Mobilität, und erlaubt somit Rückschlüsse auf das Zetapotenzial einer Probe. In der Zentrifugal-FFF (CF3) dient ein Zentrifugalfeld zur Auftrennung der Probenbestandteile nach ihren Dichte- beziehungsweise Massenunterschieden, während in der Thermischen FFF (TF3) ein Temperaturgradient die Auftrennung nach thermischen Diffusionskoeffizienten und somit unterschiedlichen chemischen Zusammensetzungen ermöglicht. Einen Überblick über die jeweiligen Trennbereiche der einzelnen FFF-Methoden bietet Bild 3.

Bild 2: Allgemeines Trennprinzip in der Feldflussfraktionierung (FFF).

Insbesondere die AF4 und die CF3 in Kopplung mit leistungsstarken Detektionssystemen wie der UV-Spektroskopie, der Mehrwinkellichtstreuung (Multi-Angle Light Scattering, MALS) und der Induktiv-gekoppeltes Plasma Massenspektrometrie (ICP-MS) eignen sich dabei besonders zur Charakterisierung komplexer, Nanopartikel beinhaltender Proben wie beispielsweise Kosmetika.

Herausforderung Probenvorbereitung
Mittlerweile haben sich eine Vielzahl Nano-partikel enthaltender Kosmetika auf dem Markt etabliert. Die vermutlich häufigste Anwendung finden Nanopartikel dabei in Sonnencremes, denen der Zusatz von nanopartikulärem Titandioxid eine schützende Wirkung vor schädlicher UV-Strahlung verleiht. Neben dem nanopartikulären UV-Blocker enthalten Sonnencremes eine Vielzahl weiterer Inhaltsstoffe, die eine direkte Analyse erheblich erschweren und einen umfassenden Probenvorbereitungsschritt erforderlich machen.

Eine Möglichkeit der Abtrennung der Kosmetikmatrix von den Nanopartikeln stellt die Entfernung der fettlöslichen Bestandteile mit Hilfe organischer Lösungsmittel wie n-Hexan und Tensiden dar [3, 4, 5]. Eine elegantere und umweltfreundlichere Methode ist der Einsatz der inversen superkritischen Fluid-Extraktion. Mit ihrer Hilfe werden alle fettlöslichen Bestandteile der Matrix entfernt, wodurch ein fester, nanopartikuläres Titandioxid enthaltender Film zurückbleibt, der leicht durch Zusatz eines geeigneten, tensidhaltigen Lösungsmittels wieder in Suspension gebracht werden kann (Bild 4).

Bild 3: Trennbereich der Feldflussfraktionierung (FFF).

Titandioxid in kommerziell erhältlichen Sonnencremes
In unserer Studie wurde die Anwendbarkeit der inversen superkritischen Fluid-Extraktion zunächst anhand von Modell-Sonnencremes bekannter Inhaltsstoffe überprüft [6] und schließlich auch bei kommerziell erhältlichen Sonnencremes angewendet [7].

Die durch inverse superkritische Fluid-Extraktion vorbereiteten Sonnencreme-Proben wurden mit Hilfe der miniaturisierten AF4 gekoppelt mit UV und MALS (mAF4-UV-MALS) sowie der ICP-MS auf ihre nanopartikulären Bestandteile hin untersucht. Während der miniaturisierte AF4-Trennkanal (Bild 5) eine schnelle Fraktionierung der partikulären Bestandteile der Probe ermöglicht [8, 9], können mit Hilfe des MALS-Detektors Rückschlüsse auf die Größenverteilung der Partikel in der Probe gewonnen werden. So kann unterschieden werden, ob die Probe nanopartikuläre Bestandteile enthält oder nicht.

Bild 4: Einsatz der inversen superkritischen Fluid-Extraktion zur Vorbereitung von Sonnencreme-Proben für die Feldflussfraktionierung (A-F) (mit freundlicher Genehmigung von Elsevier aus Publikation [6]). Für nähere Details wird auf Publikation [6] verwiesen.

Die ICP-MS als elementselektiver Detektor dient dabei der chemischen Identifikation und Quantifizierung des nanopartikulären Titandioxids in den einzelnen Kosmetika. Untersucht wurden insgesamt fünf im Supermarkt erhältliche Sonnencremes mit unterschiedlichen Lichtschutzfaktoren, von denen drei eine Nano-Kennzeichnung und zwei keine Nano-Kennzeichnung in der Zutatenliste aufwiesen (Tabelle 1; s. Bildergalerie).

Bild 6 (s. Bildergalerie) zeigt die bei der Untersuchung der fünf kommerziellen Sonnencremes erhaltenen mAF4-UV-MALS-Fraktogramme. Dabei stellt die linke y-Achse die UV-Absorption der fraktionierten Probe über die Elutionszeit und die rechte y-Achse die mit der Elutionszeit korrespondierende Partikelgröße in Form des Gyra-tions- beziehungsweise Trägheitsradius dar. Gut zu erkennen ist, dass sowohl die Sonnencreme von Coop (D) als auch das SherpaSpray (E) so gut wie kein UV-Signal zeigen und auch im MALS-Detektor-Signal keine Nanopartikel zu erkennen sind. Beide Sonnencremes enthalten entsprechend ihrer Kennzeichnung also tatsächlich keine nachweisbaren Nanopartikel. Betrachtet man die Fraktogramme der Sonnencremes von Nivea (A, B) und Garnier (C), so zeigen alle drei Proben ein erhebliches UV-Signal, wobei mit steigendem Lichtschutzfaktor, also einer höheren Konzentration an Titandioxid, auch ein höheres UV-Signal erkennbar ist. Gleichzeitig zeigt der MALS-Detektor für alle drei Proben die Anwesenheit von Partikeln in einem Größenbereich von etwa 25 nm bis größer 200 nm Gyrationsradius (rote Linie in den Fraktogrammen), was einem Gyrationsdurchmesser von etwa 50 nm bis größer 400 nm entspricht. Somit kann festgestellt werden, dass die Sonnencremes von Nivea und Garnier einen signifikanten Anteil an nanopartikulärem Titandioxid enthalten und die entsprechende Nano-Kennzeichnung in der Zutatenliste korrekt ist. Eine Übersicht der Ergebnisse findet sich in Tabelle 2 (s. Bildergalerie).

Bild 5: Größenvergleich des miniaturisierten AF4 Trennkanals mit dem konventionellen analytischen Trennkanal (mit freundlicher Genehmigung aus [9]).

Fazit
Mit der inversen superkritischen Fluid-Extraktion in Kombination mit der miniaturisierten asymmetrischen Fluss-Feldflussfraktionierung, gekoppelt mit der UV-Spektroskopie, der Mehrwinkellichtstreuung und der induktiv-gekoppeltes Plasma Massenspektrometrie steht eine leistungsfähige und umweltfreundliche analytische Methode zur zuverlässigen Bestimmung der massenbasierten Größenverteilung an nanopartikulärem Titandioxid in kommerziellen Sonnencremes zur Verfügung. In einem weiteren Schritt soll die Eignung dieser Methode zur Bestimmung der anzahlbasierten Größenverteilung von nanopartikulären Bestandteilen in kosmetischen Produkten überprüft werden. Dies würde erstmalig auch eine experimentelle Verifizierung der Richtigkeit der Nano-Kennzeichnung von Kosmetika auch mit Blick auf die Definitionsempfehlung der EU zu Nanomaterialien [2] ermöglichen.

Förderung
Teile der hier dargestellten Daten und Resultate stammen aus dem EU-Förderprojekt SmartNano (Framework Programme FP7, NMP.2011.1.3-1 - Contract no 280779, http://www.smartnano.org)

Literatur
[1] Verordnung (EG) Nr. 1223/2009 des Europäischen Parlaments und des Rates vom 30. November 2009 über kosmetische Mittel.
[2] Empfehlung der Europäischen Kommission zur Definition eines Nanomaterials vom 18. Oktober 2011 (2011/696/EU).
[3] Contado, C. and Pagnoni A., Analytical Chemistry, 2008, 80(19), 7594-7608.
[4] Nischwitz V. and Goenaga-Infante H., Journal of Analytical Atomic Spectrometry, 2012, 27, 1084-1092.
[5] Sogne V., Meier F., Klein T., Contado C., Journal of Chromatography A, 2017, 1515, 196-208.
[6] Müller D., Cattaneo S., Meier F. et al., Journal of Chromatography A, 2016, 1440, 31-36.
[7] Müller D., Nogueira M., Cattaneo S., Meier F. et al., Analytical Chemistry, 2018, 90(5), 3189-3195.
[8] Müller D., Cattaneo S., Meier F., Welz R., deMello A.J., Frontiers in Chemistry, 2015, 3.
[9] You Z., Meier F., Weidner S., Separations, 2017, 4(1), 8-19.

AUTOREN
Florian Meier
Thorsten Klein
Postnova Analytics GmbH, Landsberg am Lech, Deutschland

David Müller
Centre Suisse d’Electronique et de Microtechnique (CSEM), Landquart, Schweiz

Meital Portugal-Cohen
AHAVA Dead Sea Laboratories, Lod, Israel

Catia Contado
Department of Chemical and Pharmaceutical Sciences, University of Ferrara, Italien

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