optische sensortechnik erfassung von spurenstoffen · woodward a et al. (1993) low clutch viability...

Fachbereich ChemieInstitut für Physikalische und Theoretische Chemie

Prof. Dr. Günter Gauglitz

Langenauer Wasserforum14.11.2017

Optische Sensortechnik zur

Erfassung von Spurenstoffen

Spurenanalytik in Wasser

• Wieso plötzlich Interesse an Spuren von organischen Stoffen in Wasser?

• Warum Biosensoren von Interesse?

• Was ist ein Biosensor?

• Was hängt von seinen Komponenten (Erkennungsstruktur, Assay, Transducer) ab?

• Warum optische Detektionsmethoden?

• Geht auch Multi-Analytnachweis?

• Wirkungsbezogene Analytik?

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Anwendungen

Warum Wasseranalytik?

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California (70th): male birds lost interest in pairing (DDT)

Hunt G, Hunt M, (1977) Female-female pairing in western gulls(Larus occidentalis) in southern California. Science 196, 1466-1467. Fry D, Toone,C, Speich S, Peard R, (1987): Sex ration skew and breeding patterns of gulls: Demographic and toxicological considerations. Studies in Avain Biology 10, 26-43.

European otters endangered in Great Britain(high PCB concentration in water)Mason,C. Frod,T, Last,N (1986) Organochlorine residues in British otters. Bull. Environm. Contamination and Toxicol, 36, 651-656.

Distortion of reproduction of aligators in FloridaWoodward A et al. (1993) Low clutch viability of Amaericanalligators on Lake Apopka. Florida Science 56, 52-63.Guilette L.J. (1994) Develpmental abnormalities of the gonad and abnormal sex hormone concentration in juvenile alligators from contaminated and control lades in Florida. Environ. Health Perspect. 102, 680-688.

Warum Sensoren?

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Modernes Wassermanagement erfordert:

• Preiswertes kontinuierliches Monitoring.

• Netzwerke zur Trendanalyse.• Automatisiertes robuste

Frühwarnsysteme.

Verunreinigung von Grund-, Oberflächen- und Flusswasser durch

• Landwirtschaft• Industrie und Bergwerke• Verkehr, Schifffahrt• Freizeitaktivitäten

Stand der Kontrolle:• Standard analytische Methoden

wie HPLC, GC und MS.• Zeitaufwendig, Fachkräfte,

schwierig zu automatisieren.• Wachsende Schadstoffliste.

Umweltanalytik

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Biopticas 1992 - 1995Riana 1996 - 1999Lindau 1996 - 1998Sandrine 1999 - 2002Piwas 2001 - 2004AWACSS 2001 - 2004Mendos 2003 - 2005Aquaterra 2004 - 2007Cascade 2004 - 2010Wamazin 2009 - 2012

• Zahlreiche „directives“ der EU• Überarbeitung der

Trinkwasserverordnung• Technische Treffen mit Mess-

Sitzungen in Berlin 1997 und 1998

Biosensor Prinzip

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Physikalischer SensorTemperatur, Druck, Lichtschranke

Chemischer oder biochemischer SensorIonen sensitive Elektrode, Optode

unspezifischSpezifische

Bindung

Erkennungs-struktur

Schutzschicht

Transducer

Erkennungsstrukturen

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Polymere Funktionalisierte Polymere Molekular geprägte Polymere Bioschichten als Erkennungsstrukturen

Antigen/Antikörper DNA/DNA Peptid/Protein Protein/Protein kleine Liganden/Protein

Scaffolds Aptamere Membran ähnliche Strukturen Membrane

OptischeDetektion

• Strahlung

- Amplitude- Spektrum (Frequenz)- Polarisation- Phase- Zeit

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Absorption/Transmission Emission (Fluoreszenz,

Phosphoreszenz) Streuung (Rayleigh,

Raman) Reflexion Refraktion (Brechung)

• Markiert• direkt

Assay: Testformate

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• Direkt• ELISA• Sandwich• Kompetitiv• Bindungshemmtest

Unspezifische Bindung Optimale spezifische Hohe Beladung Hohe Stabilität der

Oberfläche Regeneration möglich

Nachweisgrenze Sensitivität Imaging

Prozesse beim Bindungshemmtest

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ass

kdiss

k hom

hom Homogene Phase

Diffusion Kinetik

TransducerOberflächen Modifikation

Heterogene Phase

kass

kdiss

het

het

Direkt oder mit Label

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• Fluoreszenz LabelStandard VerfahrenNachweisgrenzeInstrumente (Arrays)Aufwand und KostenPhotobleachingBioaktivität

• Direkte optische DetektionSchlechtere NachweisgrenzeNicht-spezifische BindungHochdurchsatz ImagingMonitoringDirekte Assays

TIRF Aufbau

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Transducer: 60 mm x 15 mm x 1.5 mm, poliertes Glas, Reflexions-Spots: 2.5 mm2

Laser

Lichtwellenleiter

Filter

absorbierendeVerkleidung

abgeschrägtes,poliertes Ende

ProbenAbfall

FIA -System

Polymer-fasern

Einlaß

Flußzelle

Feldversuche während einer Testkampagne in Berlin

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0 0.01 0.1 1 10 1000

20

40

60

80

100Kalibrierung

Proben

Isoproturon (µg/l)

Sign

al (%

)

1,49 µg/l (15 µg/l)

12,0 µg/l (150 µg/l)

Probe 1: 10fache Verdünnung

Probe 2: 10fache Verdünnung

Messungen mit unterschiedlichen "realen" WasserprobenMinimierte ProbenvorbereitungResultate vergleichbar mit anderen Methoden

"1st & 2nd European Technical Meeting Biosensors for Environmental Monitoring, Berlin, 09 /1997 und 1998"

Riana

Barzen, Klotz, Brecht

Bisphenol A

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0 0.01 0.1 1 10 100 10000

20

40

60

80

100

120

fluor

esce

nce

sign

al [%

]

bisphenol A concentration [µg/L]

test mid point

limit of detection

working range20% - 80%

Tschmelak

TIRF: Kalibrierung von Östrogenen

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0

20

40

60

80

100

120

0 0.01 0.1 1 10 100 10000

20

40

60

80

100

120

0 0.01 0.1 1 10 100 1000

OH

OH

OH

OH

with Anti-total-E

Estradiol Ethinyl-Estradiol

Estradiol [ng/ml] Ethinyl-Estradiol [ng/ml]

scal

ed si

gnal

[%

]

scal

ed si

gnal

[%

]

with Anti-total-E

using TIRF

Coille, Reder

Integriert-Optischer (IO)-Chip

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Ziel: IO-Chip für 32 Spots zur parallelisierten Messung in miniaturisierter Form

Derivative:

Estrone

Bisphenol A

Atrazine

Sulfonamide

Isoproturon

Propanil

18 min per Zyklus, bis zu 500 Messungen möglich!

AWACSS

TschmelakProllKumpfKäppel

A

S

C

A

S

Multi-Analyt Messung

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Trinkwasserverordnung der EU

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Ringversuch

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Estrone in Sediment at 50 ng/g spiked level

-4.0

-3.0

-2.0

-1.0

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

1a 1c 2 4 5a 6b

Lab id number

Z-sc

ore

AWACSS-Biosensor: Feldtest

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• Estrone below LOQ (AWACSS and HPLC-DAD)

• Bisphenol A contamination from tubes.

Kalibrierung: atrazine, isoproturon, estrone, biphenol A

Voll-automatische Probenahme

und Messung!

(EU)(bmbf)

Reflektometrische Interferenz Spektroskopie RIfS

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n d

BasislinieAssoziationDissoziation

Benz(a)pyren

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0 1 10 100 10000.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0re

lativ

e St

eigu

ng

BP-Konzentration [µg/l]

*

10-90 % Kerstin Länge

Diclofenac in Wasser

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Aufnahme in die Europäische Wasserrahmenrichtlinieals eines der ersten Pharmaka!

RIfS

Arbeitsbereich: 0,257 µg/L – 2,413 µg/L LOD = 218 ng/L LOQ = 425 ng/L

Cl

ClN

OH

O

H

NichtsteroidalesAntirheumatikum

Sabrina Rau

Diclofenac: Validierung mit LC-MS/MS

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Wiederfindungsraten in filtriertem, gespiktem Flusswasser, Vergleich LC-MS/MS

Wiederfindungsraten in unfiltriertem, gespiktem Flusswasser

KeineProbenvorbereitung erforderlich!

RIfS vs LC-MS/MS

RIfS

Salmonellen

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Melanie Ewald

Serologischer Test

LPS von Salmonellenverursacht ImmunantwortAnti-LPS-Ab wird gemessen

RIfS

Glyphosat

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Martin Böhme

Glyphosat in PufferBindungshemmtestRIfSAk (IgY, Huhn)

[µg/L]

Nuclear receptors, ligandenaktivierte Transkriptionsfaktoren

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200 300 400 500 600 700 8000,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

optis

che

Schi

chtd

icke

[nm

]

Zeit [s]

Estradiol DMSO Tamoxifen

Agonist

Signalchain isstarted andsignal isforwarded

Antagonist

Signalchain isblocked

Effect directed analysis

Peter Fechner (EU)

Wirkungsbezogene Analytik

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• Many compounds affect estrogen receptor α (ERα)

• Only a subset of such compounds can be measured in routine analytics

• Some estrogenic compounds are probably still unknown

• Routine analytics fails to predict the potential effect of a sample

• ERα recognizes the whole class of estrogenic compounds Applied to mixtures of EDCsOnly native receptors are

recovered

concentration

Alexander LeBlanc

dose

Zusammenfassung

• Sensoren können in Ergänzung zu klassischen Analysenverfahren- Gezielt einzelne Schadstoffe messen- Sogar in einem Multi-Analyt Ansatz- Mit Nachweisgrenzen unterhalb der Verordnungen- Innerhalb von 15 Minuten- Auch im Dauerbetrieb bei Regeneration- Mit portablen Geräten- Vor Ort- Im un-überwachten Betrieb- Oder mit Daten-Übermittlung und mit Reaktion

• Bei Sensoren sollten die Schadstoffe bekannt sein• Es wird eine Wirkungsbezogene Analytik möglich

14.11.2017AK Prof. Gauglitz, IPTC Tübingen @ 2017 Uni Tübingen29

Dank für die Aufmerksamkeit

14.11.2017AK Prof. Gauglitz, IPTC Tübingen @ 2017 Uni Tübingen30