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Organisationseinheit der BAM
Eingeladener Vortrag
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Der Vortrag beschreibt den Stand der Arbeiten an der BAM, Fachbereich Umweltanalytik zur Entwicklung von Sensoren für die Wasseranalytik. Er stellt die bisherigen Arbeiten da, die ausgehend von ELISAs, zunehmend portable Plattformen wie FPIA und LFIA umfassen. Beas-based Formate werden von mikrotiterplatten-basierten Techniken auf mikrofluidische Lab-on-Chip-Systeme übertragen, die bei geeigneter Miniaturisierung und Automatisierung als Sensorsysteme angesehen werden können. Der Vortrag endet mit einem Blick auf ein laufendes Monitoring-Projekt von anthropogenen Markern in Abwasser und charakterisiert die Treiber, die die Entwicklung von Sensoren für die Wasseranalytik in den letzten Jahren vorantreiben.
Vortrag zum Kick-off des Projektes.
Ziel des Projektes ist es, die Eignung der Bestimmung eines oder mehrerer der genannten anthropogenen Marker im Abwasser zur Volumenkorrektur („Kalibration“) im SARS-CoV-2-Monitoring von Abwässern auf der Basis eines von der BAM zu erhebenden Messdatensatzes zu evaluieren.
ESI-CorA ist ein nationales Verbundprojekt mit dem Ziel des Nachweises von SARS-CoV-2 im Abwasser.
Das UBA hat als Teilprojekt das Projekt MARKERIA (VH1802) an die BAM vergeben.
Ziel des Projektes ist es, die Eignung der Bestimmung eines oder mehrerer der genannten anthropogenen Marker im Abwasser zur Volumenkorrektur („Kalibration“) im SARS-CoV-2-Monitoring von Abwässern auf der Basis eines von der BAM zu erhebenden Messdatensatzes zu evaluieren.
1. Projektreffen mit dem Umweltbundesamt für das Projekt MARKERIA (VH1802).
Ziel des Projektes ist es, die Eignung der Bestimmung eines oder mehrerer der genannten anthropogenen Marker im Abwasser zur Volumenkorrektur („Kalibration“) im SARS-CoV-2-Monitoring von Abwässern auf der Basis eines von der BAM zu erhebenden Messdatensatzes zu evaluieren.
2. Projekttreffen mit dem Umweltbundesamt zum Projekt MARKERIA (VH1802).
Ziel des Projektes ist es, die Eignung der Bestimmung eines oder mehrerer der genannten anthropogenen Marker im Abwasser zur Volumenkorrektur („Kalibration“) im SARS-CoV-2-Monitoring von Abwässern auf der Basis eines von der BAM zu erhebenden Messdatensatzes zu evaluieren.
Portable, antikörperbasierte Analysenverfahren für die Schadstofferfassung im Wasserkreislauf
(2021)
Die Wasseranalytik wird bestimmt von zwei Hauptbedarfen, einerseits der Erfassung der Gewässergüte und Grundwassergüte als Basis für die Bereitstellung einwandfrei-en Trinkwassers und zum anderen des Monitorings der Wasserqualität in den Prozes-sen der Wasseraufbereitung und der Abwasserreinigung. Für beide Anwendungsbe-reiche ist eine laborbasierte Analytik eher hinderlich, werden die Analysenergebnisse doch eigentlich vor Ort benötigt, um etwa Beprobungskampagnen rasch anpassen zu können. Desweiteren werden die Daten auch schnell benötigt, um zeitnah in die technischen Prozesse einzugreifen. Organische Kontaminanten werden meist über chromatographische Verfahren, häufig gekoppelt mit einer massenspektrometrischen Detektion, in instrumentelle Labormethoden erfasst und die hochauflösende Massen-spektrometrie und die Non-target-Analytik haben viel zum Wissen über das Vorkom-men, insbesondere von sog. „emerging contaminants“, beigetragen, sowie zum Ver-ständnis der beteiligten Eintragspfade und Abbauwege. Moderne, portable Analy-senmethoden und insbesondere Sensoren werden zukünftig aber ihren Platz in der Schadstofferfassung im Wasserkreislauf einnehmen. Dies gilt insbesondere für anti-körperbasierte Analysenverfahren, da erst diese oft die nötige Selektivität und Sensitivität in die Detektionsmethoden einbringen.
Die zunehmende Kontamination von (Trink)-Wasser mit pharmazeutischen Rückständen stellt ein potenzielles Gesundheitsrisiko dar und verlangt nach schnellen und zuverlässigen Analysemethoden. Hierbei können antikörper-basierte Methoden helfen, da sie schnelle und kostengünstige Vor-Ort-Messungen sowie Onlineanalysen ermöglichen.
Der Übergang von konventionellen plattenbasierten Formaten, wie ELISA (Enzyme-linked Immunosorbent Assay), zu einem Immunosensor für Online-Messungen wird durch den Einsatz magnetischer Mikropartikel als mobile Messplattform ermöglicht.
Die Partikel werden dazu entweder mit dem Antikörper oder dem Analyten gekoppelt. Diese beiden Strategien werden am Beispiel zweier relevanter Kontaminanten des Wassers gezeigt: Diclofenac (DCF) & Amoxicillin (AMX), und sind leicht auf andere Analyten übertragbar. Die magnetpartikelbasierten Assays (MBBAs) weisen niedrigere Nachweisgrenzen, breitere Messbereiche sowie kürzere Analysezeiten als die entsprechenden ELISAs auf und können in einen Immunosensor mit elektrochemischer Detektion auf einem mikrofluidischen Chip integriert werden.
Partikelbasierte Multianalyt- Fluoreszenzimmunoassays für die Unweltanalytik und Biotechnologie
(2021)
Zur Beurteilung der Wasserqualität können Markersubstanzen, wie Carbamazepin, Diclofenac, Koffein und Gallensäuren, verwendet werden. Erhöhte Konzentrationen dieser anthropogenen Marker weisen auf Einleitstellen von Abwasser hin und zeigen somit an, wo Gewässer verschmutzt werden. Diese Arbeit beschreibt deshalb die Etablierung, Optimierung und Validierung eines partikelbasierten Suspensionsarray Fluoreszenzimmunoassays (SAFIA), mit dem diese Substanzen gleichzeitig und parallel in vielen Proben quantitativ bestimmt werden können. Für SAFIA wurde das Format des kompetitiven indirekten Immunoassays gewählt. Als Plattform wurden fluoreszenzintensitätscodierte Polystyrol-Kern/Siliziumdioxid-Schale-Partikel, auf deren Oberfläche Haptene als kompetitive Bindungsstellen für Antikörper immobilisiert wurden, verwendet. Hier zeigte sich, dass eine selektive Erkennung der Haptenstruktur auf der Oberfläche der Partikel durch die Antikörper nur gegeben war, wenn die Partikel zusätzlich mit Polyethylenglykolgruppen funktionalisiert wurden. Zum Auslesen des Fluoreszenzsignals wurde ein Durchflusszytometer verwendet. Kompatibilität mit der Durchführung in Mikrotiterplatten wurde erreicht, indem eine Stopp-lösung für den SAFIA, basierend auf Formaldehyd, entwickelt wurde. Nach der Optimierung der Assayparameter können die oben genannten vier Analyten gleichzeitig in einer Probe mindestens bis zu einer Konzentration von 0.3 μg L-1 nachgewiesen werden. Der Assay kann ohne Wasch-schritte ausgeführt werden und ist somit einfacher als konventionelle Immunoassays, wie z. B. ELISA. Der SAFIA wurde hinsichtlich Interferenzen und Selektivität untersucht. Dabei zeigte sich, dass Matrixbestandteile, die in wässrigen Umweltproben vorkommen, keinen bzw. nur einen ge-ringen Einfluss auf den SAFIA hatten. Im simulierten Umweltscreening eines Flusses und mithilfe der Analyse von Abwasserproben wurde SAFIA validiert; hier zeigte SAFIA eine mit ELISA vergleich-bare Genauigkeit, bei gleichzeitiger Senkung der Analysenzeit und -kosten. Die gleichzeitige Detektion mehrerer anthropogener Marker erlaubte zudem Rückschlüsse auf die Art von Verschmutzungsquellen, im Gegensatz zu ELISA, mit dem nur ein Analyt bestimmt werden kann. Da hochaffine Antikörper für Immunoassays essenziell sind, wurde ein SAFIA zum Screening antikörperproduzierenden Zellen (Hybridomzellen) entwickelt und eingesetzt. Durch die Implementierung eines Sandwichimmunoassays zur IgG Bestimmung und durch Verwendung von homo- und heterologen Haptenstrukturen konnten aus einem Pool von Hybridomzellen diejenigen ausgewählt werden, deren sekretierter Antikörper die geringsten Nachweisgrenzen im Immunoassay erlauben. Damit konnte das Anwendungsspektrum des SAFIA maßgeblich vergrößert werden. Er vereinfacht als biotechnologisches Werkzeug stark sowohl die Produktion von monoklonalen Antikörpern als auch die Analyse von Umweltproben.
Magnetpartikelbasierte Immunoassays für die Bestimmung von Amoxicillin und Diclofenac im Trinkwasser
(2021)
Wir berichten hier über die Entwicklung von magnetpartikelbasierten Immunoassays für die Bestimmung zweier relevanter Kontaminanten des Trinkwassers: Diclofenac (DCF) und Amoxicillin (AMX). Für die beiden Analyten wurden die Assays nach unterschiedlichen Prinzipien entwickelt, die sich auch auf weitere Analyten übertragen lassen. Im Vergleich zum herkömmlichen ELISA weisen die hier entwickelten magnetpartikelbasierten Assays einen größeren Messbereich mit niedrigeren Bestimmungsgrenzen bei gleichzeitig deutlich reduzierter Analysendauer auf. Darüber hinaus können die Immunoassays in ein automatisierbares Onlinesystem zur Analyse in der Trinkwasserversorgung implementiert werden. Strategien hierfür werden erläutert.