optische sensortechnik erfassung von spurenstoffen · woodward a et al. (1993) low clutch viability...
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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?
14.11.2017AK Prof. Gauglitz, IPTC Tübingen @ 2017 Uni Tübingen2
Anwendungen
Warum Wasseranalytik?
14.11.2017AK Prof. Gauglitz, IPTC Tübingen @ 2017 Uni Tübingen3
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
14.11.2017AK Prof. Gauglitz, IPTC Tübingen @ 2017 Uni Tübingen16
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
14.11.2017AK Prof. Gauglitz, IPTC Tübingen @ 2017 Uni Tübingen17
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
14.11.2017AK Prof. Gauglitz, IPTC Tübingen @ 2017 Uni Tübingen25
Melanie Ewald
Serologischer Test
LPS von Salmonellenverursacht ImmunantwortAnti-LPS-Ab wird gemessen
RIfS
Glyphosat
14.11.2017AK Prof. Gauglitz, IPTC Tübingen @ 2017 Uni Tübingen26
Martin Böhme
Glyphosat in PufferBindungshemmtestRIfSAk (IgY, Huhn)
[µg/L]
Nuclear receptors, ligandenaktivierte Transkriptionsfaktoren
14.11.2017AK Prof. Gauglitz, IPTC Tübingen @ 2017 Uni Tübingen27
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
14.11.2017AK Prof. Gauglitz, IPTC Tübingen @ 2017 Uni Tübingen28
• 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