Use of FIA systems for on-line dilution in multielement determination by ICP-MS

A flow-injection (FI) system to match concentrations was used as an auto-diluter in multielement determination by inductively coupled plasma-mass spectrometry (ICP-MS). The flow system comprised loop-based injection or a timed valve that introduced a variable sample volume info a spray chamber through a standard Meinhard nebulizer of an ICP-MS. Routinely analyzed samples such as water, plant, and steel were selected. The accuracy of multielement determination was checked against water standard reference material from the National Institute of Standards and Technology (1643d), plant standard reference material from the National Bureau of Standards (1572 citrus leaves), and steel standard reference material from the National Bureau of Standards (AISI 4340). The measuring system was calibrated with a multielement solution, yielding a linear plot with good precision [relative standard deviation (RSD) < 3%, n = 12]. The results were in agreement at a 95% confidence level with the certified values for the reference materials and also with those obtained by continuous aspiration and by (FI) with a discrete volume. (C) 1999 John Wiley & Sons, Inc.

Determination of cadmium in river water samples by flame AAS after on-line preconcentration in mini-column packed with 2-aminothiazole-modified silica gel

A rapid and sensitive method was developed to determine trace levels of Cd2+ ions in an aqueous medium by flame atomic absorption spectrometry, using on-line preconcentration in a mini-column packed with 100 mg of 2-aminothiazol modified silica gel (SiAT). The Cd2+ ions were sorbed at pH 5.0. The preconcentrated Cd2+ ions were directly eluted from the column to the spectrometer's nebulizer-burner system using 100 μL of 2 mol L-1 hydrochloric acid. A retention efficiency of over 95% was achieved. The enrichment factor (calculated as the ratio of slopes of the calibration graphs) obtained with preconcentrations in a mini-column packed with SiAT (A = -1.3 × 10-3 + 1.8 × 10-3 [Cd2+]) and without preconcentrations (A = 4 × 10-5 + 3.5 × 10-3[Cd2+]), was 51 and the detection limit calculated was 0.38 μg L-1. The preconcentration procedure was applied to determine trace levels of Cd in river water samples. The optimum preconcentration conditions are discussed herein.

CPAP Has No Effect on Clearance, Sputum Properties, or Expectorated Volume in Cystic Fibrosis

BACKGROUND: Positive expiratory pressure (PEP) is used for airway clearance in cystic fibrosis (CF) patients. Hypertonic saline (HTS) aerosol increases sputum expectoration volume and may improve respiratory secretion properties. CPAP may also be used to maintain airway patency and mobilize secretions. To evaluate if CPAP would increase the beneficial clearance effect of HTS in subjects with CF, we investigated the effects of CPAP alone and CPAP followed by HTS on sputum physical properties and expectoration volume in CF subjects. METHODS: In this crossover study, 15 CF subjects (mean age 19 y old) were randomized to interventions, 48 hours apart: directed coughs (control), CPAP at 10 cm H2O, HTS 7%, and both CPAP and HTS (CPAP+HTS). Sputum collection was performed at baseline and after interventions. Expectorated volume was determined and in vitro sputum properties were analyzed for contact angle and cough clearability. RESULTS: There were no significant differences between any treatment in arterial blood pressure, heart rate, or pulse oximetry, between the 2 time points. HTS and CPAP+HTS improved cough clearability by 50% (P = .001) and expectorated volume secretion by 530% (P = .001). However, there were no differences between control and CPAP on sputum contact angle, cough clearability, or volume of expectorated secretion. CONCLUSIONS: CPAP alone had no effect on mucus clearance, sputum properties, or expectorated volume, and did not potentiate the effect of HTS alone in CF subjects.

Method development using ICP-MS and LA-ICP-MS and their application in environmental and material science

Within this PhD thesis several methods were developed and validated which can find applicationare suitable for environmental sample and material science and should be applicable for monitoring of particular radionuclides and the analysis of the chemical composition of construction materials in the frame of ESS project. The study demonstrated that ICP-MS is a powerful analytical technique for ultrasensitive determination of 129I, 90Sr and lanthanides in both artificial and environmental samples such as water and soil. In particular ICP-MS with collision cell allows measuring extremely low isotope ratios of iodine. It was demonstrated that isotope ratios of 129I/127I as low as 10-7 can be measured with an accuracy and precision suitable for distinguishing sample origins. ICP-MS with collision cell, in particular in combination with cool plasma conditions, reduces the influence of isobaric interferences on m/z = 90 and is therefore well-suited for 90Sr analysis in water samples. However, the applied ICP-CC-QMS in this work is limited for the measurement of 90Sr due to the tailing of 88Sr+ and in particular Daly detector noise. Hyphenation of capillary electrophoresis with ICP-MS was shown to resolve atomic ions of all lanthanides and polyatomic interferences. The elimination of polyatomic and isobaric ICP-MS interferences was accomplished without compromising the sensitivity by the use of a high resolution mode as available on ICP-SFMS. Combination of laser ablation with ICP-MS allowed direct micro and local uranium isotope ratio measurements at the ultratrace concentrations on the surface of biological samples. In particular, the application of a cooled laser ablation chamber improves the precision and accuracy of uranium isotopic ratios measurements in comparison to the non-cooled laser ablation chamber by up to one order of magnitude. In order to reduce the quantification problem, a mono gas on-line solution-based calibration was built based on the insertion of a microflow nebulizer DS-5 directly into the laser ablation chamber. A micro local method to determine the lateral element distribution on NiCrAlY-based alloy and coating after oxidation in air was tested and validated. Calibration procedures involving external calibration, quantification by relative sensitivity coefficients (RSCs) and solution-based calibration were investigated. The analytical method was validated by comparison of the LA-ICP-MS results with data acquired by EDX.

Entwicklung massenspektrometrischer Isotopenverdünnungstechniken für die zuverlässige Bestimmung von Elementspuren und Schwefelspezies in Erdölprodukten

Einer der Hauptschwerpunkte der Arbeit lag in der Entwicklung einer spezies-spezifischen und einer spezies-unspezifischen GC-ICP-Q-MSIVA von Schwefelspezies in Petroprodukten. Es wurden hierzu Indikatoren, ausgehend von elementarem 34S-angereichertem Schwefel, im Mikromaßstab synthetisiert. Für die spezies-spezifische GC-ICP-Q-MSIVA wurde die erstmalige Synthese von 34S-markiertem Thiophen, Dibenzothiophen und 4-Methyldibenzothiophen verwirklicht. Als Indikatorsynthese für die spezies-unspezifische GC-ICP-Q-MSIVA erfolgte die erstmalige Darstellung von 34S-angereichertem Dimethyldisulid. Mit Hilfe der synthetisierten Verbindungen wurden spezies-spezifische und spezies-unspezifische massenspektrometrische Isotopenverdünnungsanalysen von Schwefelspezies in Petroprodukten durchgeführt. Vor allen GC-ICP-Q-MSIVA-Analysen erfolgte eine umfangreiche Speziesidentifizierung durch Aufstockexperimente mit kommerziell erhältlichen Standards und mit einem mit der GC gekoppelten Elektronenstoß (EI)-MS. Beide ICP-Q-MS Methoden zeichnen sich durch sehr niedrige Nachweisgrenzen (7 ng S/g) aus, welche auch eine Anwendbarkeit auf tiefentschwefelte Kraftstoffe garantieren. Mit der spezies-unspezifischen GC-ICP-Q-MSIVA ist neben einer Speziesanalyse auch eine Gesamtschwefelanalyse durch Aufsummierung aller in der Probe vorhandenen Spezies möglich. Es wurde im Rahmen dieser Arbeit auch der Einfluss möglicher Empfindlichkeitsänderungen des ICP-Q-MS durch koeluierende Kohlenwasserstoffe überprüft, wobei diese erwartungsgemäß auf das Ergebnis der spezies-spezifischen und spezies-unspezifischen GC-ICP-Q-MSIVA keinerlei Einfluss haben. Der zweite Hauptschwerpunkt der Arbeit lag auf der Ausarbeitung routinefähiger, schneller und zuverlässiger Methoden zur Gesamtelementspurenanalytik von Schwefel und Schwermetallen in Erdölen und Petroprodukten. Für die Gesamtschwefelanalyse wurde eine MSIVA nach thermaler Verdampfung mit 34S-markierten Dibenzothiophen als Indikator entwickelt. Die neu entwickelte Methode erlaubt eine sehr schnelle Bestimmung des Gesamtschwefelgehalts, wobei die eigentliche Messung des Isotopenverhältnisses innerhalb von Sekunden nach der Injektion der Probe erfolgt. Weiterhin zeichnet sich die Methode durch Robustheit und eine niedrige Nachweisgrenze (40 ng S/g) aus. Für die Analyse von Schwermetallen wurden erstmals Möglichkeiten einer direkten MSIVA von Erdölproben ohne zeitraubenden, kontaminationsträchtigen Aufschluss bzw. die schwierige Erzeugung einer Mikroemulsion zwischen hydrophober Probe und wässrigem Indikator entwickelt. Um eine homogene Verteilung des Indikators in der hydrophoben Probe zu ermöglichen, musste ausgehend von den zur Verfügung stehenden wässrigen Indikatorlösungen, eine Überführung des Indikators in ein organisches Lösungsmittel erfolgen. Hierzu wurde der jeweilige Metallindikator unter Komplexierung aus wässrigen Metallindikatorlösungen extrahiert. Für die Analyse der mit diesen Indikatorlösungen in organischer Phase versetzten Proben wurden zwei alternative Methoden ausgearbeitet. Bei der mit der Laserablation (LA) kombinierten ICP-SF-MSIVA wird die isotopenverdünnte Probe aus einer eigens für diesen Zweck entwickelten Probenhalterung ablatiert und so dem ICP-SF-MS zugeführt wird. Bei zeitlich sich verändernden Intensitäten der gemessenen Isotope werden aber reproduzierbare und konstante Isotopenverhältnisse erhalten. Im Falle einer homogenen Verteilung der Metallspuren wurde eine hervorragende Übereinstimmung mit Vergleichsmethoden und einem Referenzmaterial festgestellt. Im Falle einer heterogenen partikulären Verteilung der Metallspuren, wie sie z.B. bei Eisenspuren in den Erdölen vorlag, ist die Anwendbarkeit der LA-ICP-SF-MSIVA aufgrund des kleinen Probenvolumens (20 µL) jedoch begrenzt. Als Alternative zur LA-ICP-SF-MSIVA wurde ein System unter Verwendung der Fließinjektion für die Zuführung der isotopenverdünnten Probe zum ICP-SF-MS ausgearbeitet. Die isotopenverdünnte Probe wird hierbei in einen Eluentenstrom von Toluol injiziert und mit Hilfe einer Total-Consumption-Zerstäuber/Sprühkammer-Einheit vollständig bei einer Flussrate von 10 µL/min in das Plasma eingebracht. Neben einer nochmaligen Verkürzung der Analysenzeit und Vereinfachung der Probenvorbereitung bietet diese Methode zusätzlich stark verbesserte Nachweisgrenzen (z.B. Ni 0,9 ng/g). Leider sind mit diesem Verfahren bis jetzt nur Ni und Mo zuverlässig bestimmbar. Das in dieser Arbeit ausgearbeitete Methodenpaket erlaubt erstmals eine breite Einführung der ICP-MSIVA als zuverlässige Methode in die Routineanalytik der Petroindustrie. Durch die bewiesene Zuverlässigkeit, den geringen Zeitaufwand und die Robustheit der Methoden steht ihrem routinemäßigen Einsatz, außer einer weitergehenderen Automatisierung einzelner Verfahrensteile, prinzipiell nichts entgegen.

Methodische Untersuchung zur Diagnostik der bronchialen Hyperreagibilität mit Hilfe eines inhalativen Methacholin-Provokationstests

Die unspezifische Provokation mit Methacholin ist die am weitesten verbreitete und akzeptierte Methode zur Diagnose bzw. zum Ausschluss der bronchialen Hyperreagibilität bei Patienten mit Verdacht auf ein Asthma bronchiale und zu dessen Therapiekontrolle. Um die Sicherheit und die Genauigkeit der Methode weiter zu verbessern, wurde daher ein Dosimeterprotokoll entwickelt, das die inhalierte Methacholin-Dosis anstatt durch die Erhöhung, d.h. in der Regel Verdoppelung, der Methacholinkonzentrationen nur durch Erhöhung der Anzahl der Inhalationen bei konstanter, niedriger Konzentration der Methacholinlösung steigert. Dieses neue Protokoll wurde verglichen mit anderen weit verbreiteten Methacholin-Provokationsprotokollen. Die Methacholinchlorid-Lösung (1,75 mg/ml) wurde mit Hilfe des Dosimetersystems ZAN 200 ProvAir II sowie des Verneblertopfes DeVilbiss 646 vernebelt. 15 Asthmapatienten mit einer vor der Provokation normalen Lungenfunktion (FEV1 98 +/- 9 % PN) und 18 Lungengesunde (FEV1 110 +/- 12 % PN) nahmen an der Testreihe teil. Begonnen wurde mit einer Dosis von 20 μg Methacholinchlorid (= eine Inhalation); beendet wurde der Versuch bei einer Kumulativdosis von 2000 μg Methacholinchlorid, wenn nicht vorher ein Kriterium für einen positiven Test und damit für einen Versuchsabbruch erfüllt wurde. Abbruchkriterien waren entweder ein Abfall der FEV1 um 20 % des Ausgangswertes oder ein Anstieg des totalen Atemwegswiderstandes auf ≥ 0,5 kPa*s/l. Mittels linearer Regression wurden die Provokationsdosen PD 20 FEV1 und PD Rtot ≥ 0,5 berechnet. Im Vergleich mit anderen Protokollen zeigte sich, dass auch das neue Protokoll zuverlässig und sicher zwischen gesund und krank unterscheidet. Der Median der PD 20 FEV1 liegt in der Gruppe der Asthmatiker bei 222 μg, bei den Lungengesunden bei 2000 μg; daraus ergibt sich ein p-Wert von < 0,001. In Bezug auf die PD Rtot ≥ 0,5 liegt der Median bei den Asthmatikern bei 122 μg, in der Gruppe der Lungengesunden bei 2000 μg; hieraus errechnet sich ebenfalls ein p-Wert von < 0,001. Sensitivität und Spezifität der Methode wurden mittels ROC-Kurven untersucht. Basierend auf der PD 20 FEV1 liefert die Methode für die Diagnose einer bronchialen Hyperreagibilität bei einer Enddosis von 1000 μg Methacholinchlorid eine Sensitivität von über 93 % und eine Spezifität von 83 %; basierend auf der PD Rtot ≥ 0,5 liegt die Sensitivität bei einer Dosis von 1000 μg bei 90 %, die Spezifität bei 89 %. Für die gemeinsame Betrachtung der parameterspezifischen Provokationsdosen PD 20 FEV1 und PD Rtot ≥ 0,5, der PD Minimal, bei 1000 μg liegt die Sensitivität bei über 93 % und die Spezifität bei 83 %. Daher können 1000 μg als Schwellendosis für den Ausschluss einer bronchialen Hyperreagibilität zum Untersuchungszeitpunkt angesehen werden, und der Test darf an diesem Punkt abgebrochen werden. Grundsätzlich ist festzustellen, dass die Diagnostik der bronchialen Hyperreagibilität sicher und genau mit Hilfe eines Dosimeterprotokolls erfolgen kann, das die Methacholin-Dosis nur durch die Steigerung der Inhalationen bei gleichbleibender Konzentration der Methacholinlösung erhöht. Die Schwellendosis zwischen normaler und pathologischer bronchialer Reaktion, Sensitivität und Spezifität sowie die Trennschärfe der Methode sind sehr gut vergleichbar mit anderen bisher etablierten Protokollen.

Entwicklung eines Pikoliter-Tropfengenerators für die Massenspektrometrische Spuren- und Speziesanalytik

Die Dissertationsschrift beschäftigt sich mit der Entwicklung und Anwendung einer alternativen Probenzuführungstechnik für flüssige Proben in der Massenspektrometrie. Obwohl bereits einige Anstrengungen zur Verbesserung unternommen wurden, weisen konventionelle pneumatische Zerstäuber- und Sprühkammersysteme, die in der Elementspurenanalytik mittels induktiv gekoppeltem Plasma (ICP) standardmäßig verwendet werden, eine geringe Gesamteffizienz auf. Pneumatisch erzeugtes Aerosol ist durch eine breite Tropfengrößenverteilung gekennzeichnet, was den Einsatz einer Sprühkammer bedingt, um die Aerosolcharakteristik an die Betriebsbedingungen des ICPs anzupassen.. Die Erzeugung von Tropfen mit einer sehr engen Tropfengrößenverteilung oder sogar monodispersen Tropfen könnte die Effizienz des Probeneintrags verbessern. Ein Ziel dieser Arbeit ist daher, Tropfen, die mittels des thermischen Tintenstrahldruckverfahrens erzeugt werden, zum Probeneintrag in der Elementmassenspektrometrie einzusetzen. Das thermische Tintenstrahldruckverfahren konnte in der analytischen Chemie im Bereich der Oberflächenanalytik mittels TXRF oder Laserablation bisher zur gezielten, reproduzierbaren Deposition von Tropfen auf Oberflächen eingesetzt werden. Um eine kontinuierliche Tropfenerzeugung zu ermöglichen, wurde ein elektronischer Mikrokontroller entwickelt, der eine Dosiereinheit unabhängig von der Hard- und Software des Druckers steuern kann. Dabei sind alle zur Tropfenerzeugung relevanten Parameter (Frequenz, Heizpulsenergie) unabhängig voneinander einstellbar. Die Dosiereinheit, der "drop-on-demand" Aerosolgenerator (DOD), wurde auf eine Aerosoltransportkammer montiert, welche die erzeugten Tropfen in die Ionisationsquelle befördert. Im Bereich der anorganischen Spurenanalytik konnten durch die Kombination des DOD mit einem automatischen Probengeber 53 Elemente untersucht und die erzielbare Empfindlichkeiten sowie exemplarisch für 15 Elemente die Nachweisgrenzen und die Untergrundäquivalentkonzentrationen ermittelt werden. Damit die Vorteile komfortabel genutzt werden können, wurde eine Kopplung des DOD-Systems mit der miniaturisierten Fließinjektionsanalyse (FIA) sowie miniaturisierten Trenntechniken wie der µHPLC entwickelt. Die Fließinjektionsmethode wurde mit einem zertifizierten Referenzmaterial validiert, wobei für Vanadium und Cadmium die zertifizierten Werte gut reproduziert werden konnten. Transiente Signale konnten bei der Kopplung des Dosiersystems in Verbindung mit der ICP-MS an eine µHPLC abgebildet werden. Die Modifikation der Dosiereinheit zum Ankoppeln an einen kontinuierlichen Probenfluss bedarf noch einer weiteren Reduzierung des verbleibenden Totvolumens. Dazu ist die Unabhängigkeit von den bisher verwendeten, kommerziell erhältlichen Druckerpatronen anzustreben, indem die Dosiereinheit selbst gefertigt wird. Die Vielseitigkeit des Dosiersystems wurde mit der Kopplung an eine kürzlich neu entwickelte Atmosphärendruck-Ionisationsmethode, die "flowing atmospheric-pressure afterglow" Desorptions/Ionisations Ionenquelle (FAPA), aufgezeigt. Ein direkter Eintrag von flüssigen Proben in diese Quelle war bislang nicht möglich, es konnte lediglich eine Desorption von eingetrockneten Rückständen oder direkt von der Flüssigkeitsoberfläche erfolgen. Die Präzision der Analyse ist dabei durch die variable Probenposition eingeschränkt. Mit dem Einsatz des DOD-Systems können flüssige Proben nun direkt in die FAPA eingetragen, was ebenfalls das Kalibrieren bei quantitativen Analysen organischer Verbindungen ermöglicht. Neben illegalen Drogen und deren Metaboliten konnten auch frei verkäufliche Medikamente und ein Sprengstoffanalogon in entsprechend präpariertem reinem Lösungsmittel nachgewiesen werden. Ebenso gelang dies in Urinproben, die mit Drogen und Drogenmetaboliten versetzt wurden. Dabei ist hervorzuheben, dass keinerlei Probenvorbereitung notwendig war und zur Ermittlung der NWG der einzelnen Spezies keine interne oder isotopenmarkierte Standards verwendet wurden. Dennoch sind die ermittelten NWG deutlich niedriger, als die mit der bisherigen Prozedur zur Analyse flüssiger Proben erreichbaren. Um im Vergleich zu der bisher verwendeten "pin-to-plate" Geometrie der FAPA die Lösungsmittelverdampfung zu beschleunigen, wurde eine alternative Elektrodenanordnung entwickelt, bei der die Probe länger in Kontakt mit der "afterglow"-Zone steht. Diese Glimmentladungsquelle ist ringförmig und erlaubt einen Probeneintrag mittels eines zentralen Gasflusses. Wegen der ringförmigen Entladung wird der Name "halo-FAPA" (h-FAPA) für diese Entladungsgeometrie verwendet. Eine grundlegende physikalische und spektroskopische Charakterisierung zeigte, dass es sich tatsächlich um eine FAPA Desorptions/Ionisationsquelle handelt.

Vibrating Membrane Devices Deliver Aerosols More Efficient than Standard Devices: A Study in a Neonatal Upper Airway Model

Abstract Background: Aerosol therapy in preterm infants is challenging, as a very small proportion of the drug deposits in the lungs. Aim: Our aim was to compare efficiency of standard devices with newer, more efficient aerosol delivery devices. Methods: Using salbutamol as a drug marker, we studied two prototypes of the investigational eFlow(®) nebulizer for babies (PARI Pharma GmbH), a jet nebulizer (Intersurgical(®) Cirrus(®)), and a pressurized metered dose inhaler (pMDI; GSK) with a detergent-coated holding chamber (AeroChamber(®) MV) in the premature infant nose throat-model (PrINT-model) of a 32-week preterm infant (1,750 g). A filter or an impactor was placed below the infant model's "trachea" to capture the drug dose or particle size, respectively, that would have been deposited in the lung. Results: Lung dose (percentage of nominal dose) was 1.5%, 6.8%, and 18.0-20.6% for the jet nebulizer, pMDI-holding chamber, and investigational eFlow nebulizers, respectively (p<0.001). Jet nebulizer residue was 69.4% and 10.7-13.9% for the investigational eFlow nebulizers (p<0.001). Adding an elbow extension between the eFlow and the model significantly lowered lung dose (p<0.001). A breathing pattern with lower tidal volume decreased deposition in the PrINT-model and device residue (p<0.05), but did not decrease lung dose. Conclusions: In a model for infant aerosol inhalation, we confirmed low lung dose using jet nebulizers and pMDI-holding chambers, whereas newer, more specialized vibrating membrane devices, designed specifically for use in preterm infants, deliver up to 20 times more drug to the infant's lung.

Endobronchial donor pre-treatment with ventavis: is a second administration during reperfusion beneficial to optimize post-ischemic function of non-heart beating donor lungs?

BACKGROUND: Lung retrieval from non-heart-beating donors (NHBD) has been introduced into clinical practice successfully. However, because of potentially deleterious effects of warm ischemia on microvascular integrity, use of NHBD lungs is limited by short tolerable time periods before preservation. Recently, improvement of NHBD graft function was demonstrated by donor pre-treatment using aerosolized Ventavis (Schering Inc., Berlin, Germany). Currently, there is no information whether additional application of this approach in reperfusion can further optimize immediate graft function. MATERIAL AND METHODS: Asystolic pigs (n = 5/group) were ventilated for 180-min of warm ischemia (groups 1-3). In groups 2 and 3, 100 microg Ventavis were aerosolized over 30-min using an ultrasonic nebulizer (Optineb). Lungs were then retrogradely preserved with Perfadex and stored for 3-h. After left lung transplantation and contralateral lung exclusion, grafts were reperfused for 6-h. Only in group 3, another dose of 100 microg Ventavis was aerosolized during the first 30-min of reperfusion. Hemodynamics, pO2/FiO2 and dynamic compliance were monitored continuously and compared to controls. Intraalveolar edema was quantified stereologically, and extravascular-lung-water-index (EVLWI) was measured. Statistics comprised ANOVA analysis with repeated measurements. RESULTS: Dynamic compliance was significantly lower in both Ventavis groups, but additional administration did not result in further improvement. Oxygenation, pulmonary hemodynamics, EVLWI and intraalveolar edema formation were comparable between groups. CONCLUSIONS: Alveolar deposition of Ventavis in NHBD lungs before preservation significantly improves dynamic lung compliance and represents an important strategy for improvement of preservation quality and expansion of warm ischemic intervals. However, additional application of this method in early reperfusion is of no benefit.

A dose-controlled system for air-liquid interface cell exposure and application to zinc oxide nanoparticles

BACKGROUND: Engineered nanoparticles are becoming increasingly ubiquitous and their toxicological effects on human health, as well as on the ecosystem, have become a concern. Since initial contact with nanoparticles occurs at the epithelium in the lungs (or skin, or eyes), in vitro cell studies with nanoparticles require dose-controlled systems for delivery of nanoparticles to epithelial cells cultured at the air-liquid interface. RESULTS: A novel air-liquid interface cell exposure system (ALICE) for nanoparticles in liquids is presented and validated. The ALICE generates a dense cloud of droplets with a vibrating membrane nebulizer and utilizes combined cloud settling and single particle sedimentation for fast (~10 min; entire exposure), repeatable (<12%), low-stress and efficient delivery of nanoparticles, or dissolved substances, to cells cultured at the air-liquid interface. Validation with various types of nanoparticles (Au, ZnO and carbon black nanoparticles) and solutes (such as NaCl) showed that the ALICE provided spatially uniform deposition (<1.6% variability) and had no adverse effect on the viability of a widely used alveolar human epithelial-like cell line (A549). The cell deposited dose can be controlled with a quartz crystal microbalance (QCM) over a dynamic range of at least 0.02-200 mug/cm(2). The cell-specific deposition efficiency is currently limited to 0.072 (7.2% for two commercially available 6-er transwell plates), but a deposition efficiency of up to 0.57 (57%) is possible for better cell coverage of the exposure chamber. Dose-response measurements with ZnO nanoparticles (0.3-8.5 mug/cm(2)) showed significant differences in mRNA expression of pro-inflammatory (IL-8) and oxidative stress (HO-1) markers when comparing submerged and air-liquid interface exposures. Both exposure methods showed no cellular response below 1 mug/cm(2 )ZnO, which indicates that ZnO nanoparticles are not toxic at occupationally allowed exposure levels. CONCLUSION: The ALICE is a useful tool for dose-controlled nanoparticle (or solute) exposure of cells at the air-liquid interface. Significant differences between cellular response after ZnO nanoparticle exposure under submerged and air-liquid interface conditions suggest that pharmaceutical and toxicological studies with inhaled (nano-)particles should be performed under the more realistic air-liquid interface, rather than submerged cell conditions.

Development and pharmacokinetic characterization of pulmonal and intravenous delta-9-tetrahydrocannabinol (THC) in humans

The aim of the present study was to develop a physiologically compatible inhalation solution of delta-9-tetrahydrocannabinol (THC), and to compare the pharmacokinetic and analgesic properties of pulmonal THC versus pulmonal placebo and intravenous (iv) THC, respectively. Eight healthy volunteers were included in this randomized, double-blind, crossover study. The aqueous THC formulations were prepared by using a solubilization technique. iv THC (0.053 mg/kg body weight), pulmonal THC (0.053 mg/kg), or a placebo inhalation solution was administered as single dose. At defined time points, blood samples were collected, and somatic and psychotropic side effects as well as vital functions monitored. An ice water immersion test was performed to measure analgesia. Using a pressure-driven nebulizer, the pulmonal administration of the THC liquid aerosol resulted in high THC peak plasma levels within minutes. The bioavailability of the pulmonal THC was 28.7 +/- 8.2% (mean +/- SEM). The side effects observed after pulmonal THC were coughing and slight irritation of the upper respiratory tract, very mild psychotropic symptoms, and headache. The side effects after iv THC were much more prominent. Neither pulmonal nor iv THC significantly reduced experimentally induced pain.

Nebulizing poractant alfa versus conventional instillation: Ultrastructural appearance and preservation of surface activity.

BACKGROUND Nebulized surfactant therapy has been proposed as an alternative method of surfactant administration. The use of a perforated vibrating membrane nebulizer provides a variety of advantages over conventional nebulizers. We investigated the molecular structure and integrity of poractant alfa pre- and post-nebulization. METHOD Curosurf® was nebulized using an Investigational eFlow® Nebulizer System. Non-nebulized surfactant ("NN"), recollected surfactant droplets from nebulization through an endotracheal tube ("NT") and nebulization of surfactant directly onto a surface ("ND") were investigated by transmission electron microscopy. Biophysical characteristics were assessed by the Langmuir-Wilhelmy balance and the Captive Bubble Surfactometer. RESULTS Volume densities of lamellar body-like forms (LBL) and multi-lamellar forms (ML) were high for "NN" and "NT" samples (38.8% vs. 47.7% for LBL and 58.2% vs. 47.8% for ML). In the "ND" sample, we found virtually no LBL's, ML's (72.6%) as well as uni-lamellar forms (16.4%) and a new structure, the "garland-like" forms (9.4%). Surface tension for "NN" and "NT" was 23.33 ± 0.29 and 25.77 ± 1.12 mN/m, respectively. Dynamic compression-expansion cycling minimum surface tensions were between 0.91 and 1.77 mN/m. CONCLUSION The similarity of surfactant characteristics of nebulized surfactant via a tube and the non-nebulized surfactant suggests that vibrating membrane nebulizers are suitable for surfactant nebulization. Alterations in surfactant morphology and characteristics after nebulization were transient. A new structural subtype of surfactant was identified. Pediatr Pulmonol. 2014; 49:348-356. © 2013 Wiley Periodicals, Inc.

Geochemistry of sediment cores from METEOR cruise M76/1b

Marine sediments are the main sink in the oceanic phosphorus (P) cycle. The activity of benthic microorganisms is decisive for regeneration, reflux, or burial of inorganic phosphate (Pi), which has a strong impact on marine productivity. Recent formation of phosphorites on the continental shelf and a succession of different sedimentary environments make the Benguela upwelling system a prime region for studying the role of microbes in P biogeochemistry. The oxygen isotope signature of pore water phosphate (d18OP) carries characteristic information of microbial P cycling: Intracellular turnover of phosphorylated biomolecules results in isotopic equilibrium with ambient water, while enzymatic regeneration of Pi from organic matter produces distinct offsets from equilibrium. The balance of these two processes is the major control for d18OP. Our study assesses the importance of microbial P cycling relative to regeneration of Pi from organic matter from a transect across the Namibian continental shelf and slope by combining pore water chemistry (sulfate, sulfide, ferrous iron, Pi), steady-state turnover rate modeling, and oxygen isotope geochemistry of Pi. We found d18OP values in a range from 12.8 per mill to 26.6 per mill, both in equilibrium as well as pronounced disequilibrium with water. Our data show a trend towards regeneration signatures (disequilibrium) under low mineralization activity and low Pi concentrations, and microbial turnover signatures (equilibrium) under high mineralization activity and high Pi concentrations. These findings are opposite to observations from water column studies where regeneration signatures were found to coincide with high mineralization activity and high Pi concentrations. It appears that preferential Pi regeneration in marine sediments does not necessarily coincide with a disequilibrium d18OP signature. We propose that microbial Pi uptake strategies, which are controlled by Pi availability, are decisive for the alteration of the isotope signature. This hypothesis is supported by the observation of efficient microbial Pi turnover (equilibrium signatures) in the phosphogenic sediments of the Benguela upwelling system.