Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Ziel ist die Entwicklung eines neuartigen amperometrischen Ammoniumsensors, der auf der Grundlage der Dickschichttechnik die reproduzierbare Herstellung gr\u00f6\u00dferer St\u00fcckzahlen von Einwegsensoren zur schnellen und einfachen Bestimmung des umweltrelevanten Parameters Ammonium in w\u00e4\u00dfrigen Medien erm\u00f6glicht. Die ammoniumselektive Schicht des Sensors soll aus der Kombination elektrisch leitf\u00e4higer (mediatordotierter) Redoxpolymerfilme und ionenselektiver Schichten bestehen, die technologiekompatibel aufzubringen sind. Die Sensoren sollen rekalibrierbar und f\u00fcr eine bestimmte Analysenanzahl nutzbar sein. Sie k\u00f6nnen in Kombination mit immobilisierter Urease zur Harnstoffbestimmung sowie mittels entsprechender ammoniumbildender Enzyme zum Nachweis weiterer Substrate dienen.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenVerschiedene Redoxpolymere sowie mit Ionophoren dotierte Polymerschichten werden durch dip-coating oder Elektropolymerisation auf amperometrische Platin- und Kohlenstoffelektrodenoberfl\u00e4chen aufgebracht und mittels elektrochemischer Methoden hin-sichtlich Ammoniumsensitivit\u00e4t und -selektivit\u00e4t untersucht. Die optimale Membranzusammensetzung wird f\u00fcr die Erarbeitung der Sensorstrukturierung in Dickschichttechnik (bei SensLab) verwendet. Es sollen Leiterz\u00fcge, Gegen- und Referenzelektrode, Kontaktierung der Arbeitselektrode sowie isolierende Abdeckschicht als polymere Dickschichtpasten in geeigneter Technologie auf ein polymeres Tr\u00e4germa-terial aufgebracht sowie das sensitive System technologiekompatibel als Arbeitselektrodenoberfl\u00e4che appliziert werden, um eine einfache und kosteng\u00fcnstige Herstellung der Sensoren zu erm\u00f6glichen. Nach der Ermittlung der Sensorparameter und dem Test des Sensors an realen Proben aus laufenden Sanie-rungsvorhaben des UFZ werden schlie\u00dflich Untersuchungen zur Immobilisierung von Urease auf dem Sensorsystem (Harnstoffsensor) durchgef\u00fchrt.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Ein amperometrischer Sensor zur Bestimmung von Ammonium in w\u00e4\u00dfrigen Medien wurde entwickelt. Die Bestimmung erfolgt nach Mischen der Probe mit Pufferl\u00f6sung ohne Zusatz weiterer Substanzen bei einer vergleichsweise niedrigen Polarisationsspannung von +300 mV vs. interne Referenzelektrode. Die Verwendung eines Dreielektrodensystems sichert eine bessere Sensorstabilit\u00e4t im Vergleich zu Zweielektrodensystemen. Die Herstellung polyanilinmodifizierter Ammoniumsensoren erfolgt durch die elektrochemische Polymerisierung von Anilin auf der Arbeitselektrodenoberfl\u00e4che eines in Dickschichttechnik hergestellten amperometrischen Sensors. F\u00fcr die Polymerisierung k\u00f6nnen saure Anilinl\u00f6sungen oder solche auf der Basis eines Gemischs S\u00e4ure \/ organisches L\u00f6sungsmittel verwendet werden. Die Messung erfolgt in Glycinpufferl\u00f6sung pH 10,5. Die Nachweisgrenze f\u00fcr Ammoniumsulfat betr\u00e4gt 5 \u00b5mol\/l (70 \u00b5g\/l NH4+-N). Der lineare Me\u00dfbereich des Sensors erstreckt sich bis zu 500 \u00b5mol\/l Ammoniumsulfat (7 mg\/l NH4+-N). Der Sensor ist \u00fcber einen Zeitraum von 60 Tagen lagerf\u00e4hig, im Durchflu\u00dfme\u00dfsystem betr\u00e4gt die Operationsstabilit\u00e4t 2000 Messungen (f\u00fcr die aufeinanderfolgende Messung von 1 mmol\/l Ammoniumsulfat im Abstand von 4 min). Verschiedene Ammoniumverbindungen gleicher Konzentration werden, wie auch bei der Bestimmung mittels ionenselektiver Elektroden, mit unterschiedlicher Sensitivit\u00e4t detektiert. Ein ammoniumselektives Zeolith-Material wurde in ersten Versuchen auf der Polyanilin-modifizierten Oberfl\u00e4che aufgebracht. Unter Ausnutzung der Selektions- und Anreicherungsfunktion k\u00f6nnen eventuell Selektivit\u00e4t und Sensitivit\u00e4t des Ammoniumsensors verbessert werden, was in weiteren Untersuchungen zu pr\u00fcfen sein wird. Auf der Arbeitselektrodenoberfl\u00e4che des Ammoniumsensors k\u00f6nnen ammoniumbildende Enzyme (z.B. Urease) immobilisiert werden, so da\u00df damit erstmals Substrate von Hydrolasen einer amperometrischen Bestimmung unter Verwendung eines Monoenzymsensors zug\u00e4nglich werden. Urease wurde in einem Poly(carbamoyl)sulfonat-Hydrogel immobilisiert. Der Harnstoffsensor wird ebenfalls bei einer Polarisationsspannung von +300 mV vs. interne Referenzelektrode verwendet. Die Harnstoffmessung erfolgt in Phosphatpufferl\u00f6sung pH 8,0. Die Nachweisgrenze des Sensors f\u00fcr Harnstoff betr\u00e4gt 5 \u00b5mol\/l, der lineare Me\u00dfbereich erstreckt sich bis zu 500 \u00b5mol\/l Harnstoff. Die Lagerstabilit\u00e4t des Sensors im K\u00fchlschrank betr\u00e4gt 30 Tage, die Operationsstabilit\u00e4t im Durchflu\u00dfme\u00dfsystem (bis zur 50%-Aktivit\u00e4t) 500 Messungen (1 mmol\/l Harnstoff, Me\u00dfabstand 4 min).
\nAmmonium- und Harnstoffsensor sind prinzipiell geeignet f\u00fcr die Verwendung in Durchflu\u00dfme\u00dfsystemen (mit einer speziellen Durchflu\u00dfme\u00dfzelle) sowie in Kombination mit einem entsprechenden Handme\u00dfger\u00e4t. Die Messung der Ammoniumkonzentration von Proben eines Fermentationsmediums zeigte eine gute \u00dcbereinstimmung zwischen den Bestimmungen mittels Sensor, der DIN-Methode und photometrischem K\u00fcvettentest.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Die Ergebnisse wurden als Vortr\u00e4ge auf entsprechenden Veranstaltungen und als Publikation in einer Fachzeitschrift ver\u00f6ffentlicht:
\nVortrag auf dem 5. Biosensor-Weltkongre\u00df, Abstract: B. Strehlitz, B. Gr\u00fcndig, H. Kopinke, Proceedings 5th World Congress on Biosensors, 3.-5.6.1998, Berlin, 153
\nB. Strehlitz: Amperometrischer Ammoniumsensor, Poster zum Deutschen BioSensor-Symposium, M\u00fcnchen, 14.-16.4.1999, 14.-16.4. 1999
\nStrehlitz, B.; Gr\u00fcndig, B.: Amperometrischer Ammoniumsensor, Vortrag zum 7. Seminar des Arbeitskreises Elektrochemie in Sachsen, 23.4.1999, Meinsberg
\nStrehlitz, B.; Gr\u00fcndig, B.: Beispiele zur Vor-Ort-Analytik und quasi-on line Messung mit Biosensoren im Umweltbereich. Vortrag zur 5. Fachveranstaltung Messungen im Umweltbereich, 24.11.1999, Leipzig
\nStrehlitz, B: (Bio)Sensors for Environmental Analysis of Phenols and Ammonia. Vortrag auf dem Fourth Workshop on Biosensors and Biological Techniques in Environmental Analysis, 1.-3.12.1999, Ma\u00f3, Menorca, Spain
\nB. Strehlitz, B. Gr\u00fcndig, H. Kopinke: Sensor for amperometric determination of ammonia and ammonia-forming enzyme reactions, Anal. Chim. Acta 403 (2000) 11-23
\nStrehlitz, B: Enzymsensor-Entwicklungen im Umweltbereich. Vortrag zum Fachkongre\u00df Energie und Umwelt 2000, 29.-30.03.2000, Freiberg<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Es erfolgte die Entwicklung eines amperometrischen Ammoniumsensors, der auch als Basissensor in Kombination mit ammoniumbildenden Enzymen verwendbar ist. Die Kenndaten der Sensoren erlauben ihre breite Anwendung vor allem in der Umweltanalytik, aber auch in der Biotechnologie, Lebensmittelanalytik und Medizintechnik. Die Erprobung und Adaption der Sensoren mit entsprechender Me\u00dftechnik (Durchflu\u00dfme\u00dfsysteme oder Handme\u00dfger\u00e4t) an speziellen Problemf\u00e4llen sowie die Verbesserung von Selektivit\u00e4t und Sensitivit\u00e4t durch die Kombination des Polyanilin-modifizierten Sensors mit ammoniumselektiven Zeolithen sind die n\u00e4chsten zu l\u00f6senden Schritte.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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