Analytische Chemie
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Die Kombination aus elektrogenerierter Chemilumineszenz (ECL) und Aptamer-gesteuerter Indikatorfreisetzung (gAID) aus magnetischen mesoporösen Silica-Nanopartikeln, die in mit Poly(ethylenglycol) und N-(3-Triethoxysilylpropyl) diethanolamin funktionalisiertes Glasfaserpapier eingebettet sind, ermöglichte die Entwicklung eines Schnelltests, mit dem sich Penicillin direkt in verdünnter Milch bis auf 50 +/- 9 ppt in <5 min nachweisen lässt. Die kovalente Bindung der Aptamer-Kappe an das Siliciumdioxid-Gerüst ermöglichte den Verschluss der Poren durch nicht-kovalente elektrostatische Wechselwirkungen mit Oberflächen-Aminogruppen. Die Bindung von Penicillin führte zu einer Faltung des Aptamers, wodurch der zuvor in das Material geladene ECL-Reporter Ru(bpy)32+ freigesetzt wurde und nach lateralem Fluss von einer Smartphone-Kamera nach elektrochemischer Anregung mit einer in einen 3D-gedruckten Halter eingesetzten Siebdruckelektrode detektiert wird. Der Ansatz ist einfach, generisch und bietet Vorteile hinsichtlich Empfindlichkeit, Messunsicherheit und Robustheit gegenüber konventioneller Fluoreszenz- oder elektrochemischer Detektion, insbesondere für Point-of-Need-Analysen anspruchsvoller Matrices und Analyten im Ultraspurenbereich.
Mit dem Testsystem zur Probe
(2021)
Vor dem Hintergrund der einzigartigen Modularität, hohen Empfindlichkeit und Selektivität von Antikörper‐gesteuerten Indikatorfreisetzungssystemen (gAID‐Systemen) wurde hier ein Multiplex‐Assay für drei organische Explosivstoffmoleküle (TATP, TNT, PETN) entwickelt, der es erlaubt, die Analyten gleichzeitig in flüssiger Phase mit einem einzelnen Teststreifen und einem Fluoreszenzlesegerät bzw. Smartphone als Detektor in Konzentrationen bis in den unteren ppb‐Bereich in <5 min nachzuweisen. Alle drei Systeme, darunter die hier neu entwickelten Systeme für TNT und PETN, tolerieren zudem nicht nur gepufferte wässrige Modelllösungen, sondern auch komplexere Matrices. Neben einem konventionellen Teststreifen mit einem Kanal erlaubte uns die Anwendung von Wachsdrucktechnologie das Herstellen von mehrkanaligen Streifen mit vergleichbarer analytischer Leistungsfähigkeit, was das enorme Potenzial der modular aufgebauten, hybriden Biosensormaterialien im Hinblick auf eine für den Endanwender maßgeschneiderte Vor‐Ort‐Analytik unterstreicht.
Die räumlich aufgelöste Heterodyn-Spektroskopie (SHS) kombiniert dispersive und interferometrische Techniken zur Gewinnung spektroskopischer Informationen und kann in einem anpassbaren Instrument realisiert werden. SHS wird für die chemische Analyse von verschiedenen Materialien mit Hilfe der Laser-induzierten Plasmaspektroskopie (LIBS) und der Raman-Spektroskopie eingesetzt.
Ammoniakemissionen in die Umwelt erfolgen insbesondere durch die Landwirtschaft (93,6 %), aber auch durch Verbrennungsprozesse in der die Abfallwirtschaft (2,3 %) und den Straßenverkehr (1,8 %). Dieser Stoff ist selbst in geringen Konzentrationen nicht nur eine Geruchsbelästigung, sondern auch eine Substanz mit ökologischer und klimatischer Relevanz.
Die Bestimmung von Ammoniak in relevanten Konzentrationen von kleiner 25 μg m-3 erfolgt im Allgemeinen über NH4+ als Analyten, spektralfotometrisch oder mit der Ionenchromatographie nach Überführung in die flüssige Phase. Wegen der niedrigen Konzentrationen an Ammoniak in der Außenluft wird meist eine gesammelte Probe verwendet oder die Bestimmung erfolgt nach einer aktiven, anreichernden Probenahme.
Die eigenen Arbeiten sollen dazu beitragen, die Ammoniak-Bestimmung in der Außenluft präziser, sowie schneller und kostengünstiger zu machen.
Die BAM prüfte daher kommerzielle elektrochemische und Metalloxid-basierte Sensoren, die für diesen Konzentrationsbereich aber nur bedingt geeignet sind. Deshalb wurden alternativ eigene Entwicklungen zum Nachweis von Ammoniak im Spurenbereich aufgenommen, wobei der Analyt über die Änderung der Fluoreszenz eines BODIPY-Farbstoffs bei 550 nm mittels eines portablen Fluoreszenz-Sensors direkt aus der Gasphase gemessen wird.
Zur Kalibrierung von Ammoniak-Sensoren und -Messgeräten steht ein stationäres System basierend auf der Mischung von zertifizierten Prüfgasen aus Druckflaschen mit kalibrierten Massendurchfluss-regler (MFC) zur Verfügung. Darüber hinaus erfolgt eine chemische Analyse der verwendeten Gasgemische mittels eines Massenspektrometers.
Für die Kalibrierung und Prüfung von Sensoren und Messgeräten vor Ort wurde ein mobiles Prüfsystem entwickelt. Die Generierung von Ammoniak-haltigen Gasen im Spurenbereich von 0,5 nmol/mol bis 500 nmol/mol erfolgt durch das Permeationsverfahren nach ISO 6145-10.
Für die Realisierung der Rückführbarkeit der Ammoniakbestimmung werden von den Nationalen Metrologischen Instituten sowie designierten Instituten Standards bereitgestellt und auch weiterentwickelt. Die primären metrologischen Standards beruhen auf SI-Einheiten und sind die Basis für eine Rückführbarkeit der Sensoren bzw. Analysengeräte.
Mit Tröpfchen Spielen
(2018)
Mikrofluidische Systeme sind leistungsstarke analytische Tools mit attraktiven Eigenschaften wie miniaturisierter Größe, geringem Reagenzien und Probenverbrauch, schneller Ansprech- und kurzer Messzeit. Der Bedarf solcher leistungsstarken, miniaturisierten und direkt vor Ort anwendbaren Sensorsysteme steigt kontinuierlich, hauptsächlich durch das Bedürfnis der Gesellschaft, schneller, besser und umfassender über kritische Faktoren im Lebens- und Arbeitsumfeld sowie der Umwelt informiert zu sein.
Die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) ist eine Ressortforschungseinrichtung, die zum Schutz von Mensch, Umwelt und Sachgüter, forscht, prüft und berät. Im Fokus aller Tätigkeiten in der Materialwissenschaft, der Werkstofftechnik und der Chemie steht dabei die technische Sicherheit von Produkten und Prozessen. Dazu werden Substanzen, Werkstoffe, Bauteile, Komponenten und Anlagen sowie natürliche und technische Systeme erforscht und auf sicheren Umgang oder Betrieb geprüft und bewertet. Schwerpunkt des Vortrages sind multimodale Polymeranalytik, nanoskalige Sensormaterialien und die Charakterisierung von technischen Eigenschaften von Polymeren sowie ihre Alterung und Umweltrelevanz.
2,4-D ist ein in der Landwirtschaft weitverbreitetes Pflanzenschutzmittel, das Grundwasser kontaminiert, sich innerhalb der Nahrungskette anreichert und Umwelt- und Gesundheitsprobleme verursachen kann. Hier stellen die Autoren ein mikrofluidisches Nachweissystem für die Echtzeitdetektion von 2,4-D in Grund- oder Oberflächenwasser vor. Es basiert auf der Kombination 2,4-D-selektiver, fluoreszierender, molekular geprägter Polymer-(MIP-)Mikropartikel mit einem 3D-mikrofluidischen Extraktions- und Detektionssystem. Messungen vor Ort sollen damit künftig möglich sein.