Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Vor der Projektbearbeitung waren nahezu keinerlei Konzepte zur in situ Kalibrierung, d.h. zur Kalibrierung von Chemo – und Biosensoren unmittelbar im Probenreservoir oder in einem Proze\u00dfmedium bekannt. Diese f\u00fcr die me\u00dftechnische Zuverl\u00e4ssigkeit, insbesondere bei der on line \u00dcberwachung von chemischen und biotechnologischen Prozessen mitentscheidende Frage setzt ein hohes Ma\u00df an Automatisierung voraus und erforderte u.a. zur Erreichung kurzer Ansprechzeiten die Konstruktion, Entwicklung und Optimierung von speziellen Tauchme\u00dfsonden voraus. Eine weitere wichtige Problemstellung war die Integration von Bio- und Chemosensoren und von Probenahme- und konditionierschritten in kompakte und vollautomatische Mikrodurchflu\u00dfanalysensysteme. Folgende Schwerpunkte wurden bearbeitet:( 1. ) Entwicklung von und Grundlagenuntersuchungen zu kapillaren Biome\u00dfsonden und deren Einsatz zur pr\u00e4zisen und empfindlichen Bestimmung von Umweltkontaminanten. ( 2. ) Integration miniaturisierter Durchflu\u00dfme\u00dfsysteme zur in situ Regenerierung des biochemischen Sensorelementes und zur in line Kalibrierung, wobei eine Erh\u00f6hung der Zuverl\u00e4ssigkeit und der Richtigkeit der Me\u00dfergebnisse gegen\u00fcber herk\u00f6mmlichen Biosensorsystemen erzielt werden sollte. ( 3. ) Ausarbeitung neuer Mikroverfahren zur in situ Probenahme und -konditionierung. ( 4. ) Integration von on line Probenahme- und anreicherungssystemen.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenZur Entwicklung kapillarer Biome\u00dfsonden wurden kapillare Durchflu\u00dfanalysensysteme realisiert, die die geplante Vorstufe zur Entwicklung von in situ konditionierbaren und – regenerierbaren Bio- und Chemome\u00dfsonden darstellen. Davon ausgehend wurden neuartige kapillare Biosensorsysteme mit chemiluminometrischer und amperometrischer Signaltransduktion hergestellt und charakterisiert. Durch die in situ Erzeugung linearer Konzentrationsgradienten und definierter Signalfolgen gelingt nun die weitgehend absolute, d.h. kalibrierfreie Bestimmung umweltrelevanter Substanzen, wie z.B. Wasserstoffperoxid, Ammoniak, Schwefelwasserstoff und Kohledioxid.
\nIn enger Kooperation mit dem IBA Heiligenstadt konnten auf der Basis miniaturisierter doppellumiger Kapillaren in situ kalibier- und konditionierbare Tauchme\u00dfsonden f\u00fcr die Detektion von Phenolen, Schwefelwasserstoff\/Hydrogensulphid, Schwefeldioxid\/Sulphit, Ammoniak\/Ammonium und Cyanid realisiert und validiert werden, die eine gegen\u00fcber herk\u00f6mmlichen Sensoren h\u00f6here Me\u00dfempfindlichkeit, Linearit\u00e4t und Zuverl\u00e4ssigkeit aufweisen. Die Tauchme\u00dfsonden wurden zun\u00e4chst mit Fluoreszenz- und Chemilumineszenzdetektoren sowie mit photometrischen und amperometrischen Durchflu\u00dfme\u00dfzellen kombiniert. Die Weiterentwicklung f\u00fchrte zur Integration von faseroptischen Sensoren und miniatuisierten amperometrischen Detektoren in die Tauchme\u00dfsonden. Der Einbau der Tauchme\u00dfsonden in Durchflu\u00dfanalysenanordnungen erm\u00f6glichte die Kombination mit weiteren enzymatischen Analytkonversionen. Begonnen wurde mit der Anwendung von dreiecksprogrammierten Mikrodurchflu\u00dftitrationen in denentsprechenden Durchflu\u00dfanordnungen, wodurch absolut arbeitende Verfahren zur Bestimmung von Harnstoff, Ammoniak, Schwefelwasserstoff und Kohlendioxid realisiert werden konnten. Durch die neuartige digitale Mikrodurchflu\u00dftitration mit einer peroxidasemodifizierten Elektrode oder Chemilumineszenroptrode wurden Wasserstoffperoxid, Perborat und Percarbonat bestimmt. Durch Kombination der chemiluminometrischen Wasserstoffperoxiddetektion mit einem vorgeschalteten Gasdiayseschritt gelingt es, sehr empfindliche und dar\u00fcber hinaus sehr selektive Wasserstoffperoxiddetektionen zu realisieren.
\nUm die entwickelten Me\u00dfsonden auf die in situ Analyse von Grund- und Sickerwasserproben anwenden zu k\u00f6nnen, wurde eine gepanzerte Einstechsonde mit einer Sikcerkammer entwickelt, in die das dopplelumige Sondensystem integriert ist. Gegen\u00fcber der herk\u00f6mmlichen Analytik mit separater Probenahme wird insbesondere bei der Spurenanalytik die Gefahr der Kontamination der Probenl\u00f6sung drastisch verringert. Durch die eingesetzten automatischen in line Kalibrierroutinen wird eine gegen\u00fcber herk\u00f6mmlichen Sensoren deutlich verbesserte Pr\u00e4zision und Richtigkeit der Analysenergebnisse erzielt.Das Problem der automatischen in line Kalibrierung von Bio- und Chemome\u00dfsonden wurde durch umfangreiche Arbeiten zur Entwicklung einer Steuersoftware und der dazugeh\u00f6rigen elektronischen Steuertechnik realisiert, wobei sowohl das Prinzip der gradientengesteuerten Durchflu\u00dftitration als auch das der sogenannten digitalen Titration, die eine gradientengesteuerte multiple Standardaddition darstellt, erfolgreich angewendet wurden.
\nAuch die Arbeiten zur Integration von Mikrotrennoperationen, wie z.B. der Hohlfasergasdialyse und -dialyse in die Bio- und Chemome\u00dfsonden verliefen erfolgreich. Durch die integrierte in situ Kondi-tionierung der Probenl\u00f6sungen gelingt eine schnelle Anpassung der Probenl\u00f6sung an den jeweils angewandten Sensor.
\nEinige der besonders leistungsf\u00e4higen enzymatischen Phenolsensoren wurden mit einer Mikrodurchflu\u00dfzelle zur Fl\u00fcssigmembranextraktion kombiniert, um auch in komplizierter Probenmatrix arbeiten zu k\u00f6nnen. Es zeigte sich, da\u00df insbesondere tyrosinasemodifizierte Elektroden au\u00dfer auf eine Vielzahl von Phenolderivaten auch auf Cyanid, Sulphid und schwefelorganische Verbindungen ansprechen. Viele aromatische Verbindungen, wie z.B. Benzoes\u00e4ure, Resorcinol und auch Phenolderivate mit blockierten 2-Positionen inhibieren die Tyrosinase. Andererseits sind tyrosinasemodifizierte Elektroden nur selten in der Lage, Phenolspuren mit ausreichender Empfindlichkeit zu detektieren. Die Fl\u00fcssigmembranextrak-tion erwies sich als geeignet, polare und geladene Substanzen Ionen vollst\u00e4ndig zur\u00fcckzuhalten und zwischen Gruppen von Phenolderivaten aufgrund der unterschiedlichen pKS – Werte zu differenzieren. Dar\u00fcber hinaus gelingt es, auch Phenolspuren schnell anzureichern und im nanomolaren Konzentrationsbereich zu bestimmen.
\nDie Festphasenextraktion wurde in ein vollautomatisches FIA (Flow Injection Analysis) – System f\u00fcr die Bestimmung von Herbiziden, d.h. von Acetylcholinesterasehemmern integriert.
\nDie umfangreich betriebene Entwicklung von Biosensorsystemen zielte auf einen leistungsf\u00e4higen me\u00dftechnischen Zugang zu Umweltkontaminanten, wobei sowohl mit amperometrischen als auch mit chemiluminometrischen Signaltransduktoren gearbeitet wurde. F\u00fcr die empfindliche Detektion von Wasserstoffperoxid, organischen und anorganischen Peroxiden, f\u00fcr Cholin, Acetylcholin, Xanthin, Hypoxanthin und NADH wurden jeweils sowhl ein amperometrisches und ein chemiluminometrisches Biosensorsystem entwickelt. Dar\u00fcberhinaus wurden ein enzymatisch-chemiluminometrisches Verfahren zur Bestimmung von Phosphat und ein fluorimetrischenzymatisches Verfahren zur Bestimmung von Propylenoxid und Propan-1.2-diol entwickelt . F\u00fcr die Bestimmung von Phenol und Catechol wurde eine gro\u00dfe Zahl von tyrosinasemodifizierten Kohlekompositelektroden hergestellt. Durch Optimie-rung des Kompositbinders und des Tr\u00e4germaterials konnten Elektroden mit verbesserter Betriebs- und Signalstabilit\u00e4t realisert werden. Als empfindliches Referenzverfahren wurde ein chemoenzymatisches Verst\u00e4rkungssystem auf der Basis eines sehr stabilen Tyrosinasereaktors und der in line Derivatisierung mit o-Phenylendiamin entwickelt.
\nDie wesentlichen Zielstellungen des Projektes konnten erreicht werden. Die angestrebte Entwicklung eines enzymatischen Sulphitsensor f\u00fchrte in eine Sackgasse, da sich die einzusetzende Sulphitoxidase als f\u00fcr einen realen umweltanalytsichen Einsatz zu instabil und der alternative fluorimetrsichgasdialytische Sensor als deutlich \u00fcberlegen erwies.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Die erzielten Ergebnisse sind in einem dem Anhang beigef\u00fcgten ausf\u00fchrlichen Ergebnisbericht dargestellt und diskutiert.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Die erzielten Ergebnisse sind zum Teil in internationalen und referierten Fachzeitschriften publiziert und wurden durch Poster und Vortr\u00e4ge auf nationalen und internationalen Fachkonferenzen pr\u00e4sentiert. Aus der Projektbearbeitung sind zwei gepr\u00fcfte Patente hervorgegangen.<\/p>\n
Publikationen:
\n1.\tH. Lapp, U. Spohn und D. Janasek, An enzymatic chemiluminescence optrode for choline detection under flow injection conditions, Anal.Letters 29 ( 1996 ) 1 – 17.
\n2.\tH. Mana and U. Spohn, Selective flow injection procedures for the determination of nitrogen containing analytes by gasdialytic fluorimetric detection of enzyma -matically generated ammonia, Anal.Chim.Acta 325 ( 1996 ) 115 – 123.
\n3.\tM. Becker, B. Fuhrmann und U. Spohn, Selective determination of gas dialysable components in complex sample solutions using triangle – programmed coulometric titration in continuous flow systems, Anal.Chim.Acta 324 ( 1996 ) 115 – 123.
\n4.\tD. Janasek und U .Spohn, An enzyme modified detector for hydrogen peroxide and oxidase substrates, Sensors & Actuators B38-39 ( 1997 ) 291 – 294.
\n5.\tM. Becker, M. Martienssen, B. Fuhrmann und U. Spohn, Analysing nitrogen and sulphide elimination from leachate by coulometric continuous flow titration, Acta Biotechnologica 17 ( 1997 ) 39 – 50.
\n6.\tB. Fuhrmann und U. Spohn, An enzymatic amplification Flow Injection Analysis ( FIA ) system for the sensitive determination of phenol, Biosensors & Bioelec-tronics, 13 ( 1998 ) 895 – 902.
\n7.\tD. Janasek, U. Spohn und D. Beckmann, Novel chemiluminometric H2O2 sensors for the selectiveflow injection analysis, Sensors & Actuators, 1998, im Druck.
\n8.\tU. Spohn, B. Fuhrmann, E. Weckenbrock, E. Most, D.Janasek und D. Beckmann, In situ konditionier- und kalibierbare Sensorsysteme f\u00fcr die Umwelt- und Proze\u00dfanalytik, in: Umweltdiagnostik. Miniaturisierte Systeme, Verlag Chemie, Weinheim, im Druck.
\n9.\tU. Spohn, Enzymmodifizierte Kohlepasteelektroden – ein neuer Weg zur reagenzfreien enzymatischen Analytik, Nova Acta Leopoldina Supplementum, 15 ( 1998 ) 153 – 172.<\/p>\n
Patente:
\n1.\tU. Spohn, B. Fuhrmann, D. Beckamnn, E. Weckenbrock und E. Most, Verfahren zur In-situ- Kalibrierung von in die Probenl\u00f6sung eintauchenden Sensoren, insbesondere Chemo – und Biosensoren, Patentschrift DE 197 15 441 C1, 10.04.97,erteilt 17.09.98.
\n2.\tU. Spohn, B. Fuhrmann, D. Beckmann, E. Weckenbrock und E. Most, Tauchme\u00dfsonde zur Bestimmung permeabilisierender Analyte, Patentschrift DE 197 15 440 C1, 10.04.97, erteilt am 27.08.98.<\/p>\n
Vortr\u00e4ge und Poster:
\n1.\tB. Fuhrmann und U. Spohn, An enzymatic amplification FIA system for the sensitive determination of Phenol, Poster auf 5th World Congress on Biosensors, Berlin, 03-05.06.1998.
\n2.\tU. Spohn, B. Fuhrmann, E. Most, E. Weckenbrock und D. Beckmann, The flow injection analysis of phenol traces based on an improved tyrosinase modified carbon paste electrode and a membrane enrichment step, Poster auf 5th World Congress on Biosensors, Berlin, 03-05.06.1998.
\n3.\tW. Bergmann und U. Spohn, Amperometric investigations of different peroxidases dissolved in aqueous electrolytes and immobilized in organic paste electrodes, Poster auf 5th World Congress on Biosensors, Berlin, 03-05.06.1998.
\n4.\tFuhrmann und U. Spohn, Enzyme catalyzed microflow titrations, Vortrag auf 5th World Congress on Biosensors, Berlin, 03-05.06.1998.
\n5.\tFuhrmann und U. Spohn, Kapillare FIA-Methoden zur Chemilumineszenzdetektion von Oxidoreduktase-Substraten und -aktivit\u00e4ten, Poster auf 15. DECHEMA-Jahrestagung der Biotechnologen, 04.-06.03.1997, M\u00fcnster
\n6.\tU. Spohn und H. Mana, Die fluorimetrische Detektion von Ammoniak und polaren Thiolen – ein neuer Weg zur enzymatischen FIA(Flow Injection Analysis) von Bioproze\u00dfmedien, Poster auf 15. DECHEMA – Jahrestagung der Biotechnologen, 04.-06.03.1997, M\u00fcnster.
\n7.\tW. Bergmann und U. Spohn, Mehrkanal-FIA-System zur Bestimmung und Charakterisierung von Enzymaktivit\u00e4ten, Poster auf 15. DECHEMA-Jahrestagung der Biotechnologen, 04.-06.03.1997, M\u00fcnster.
\n8.\tD. Janasek und U. Spohn, Bienzymmodifizierte Chemilumineszenz-Optroden, Poster auf 15. DECHEMA – Jahrestagung der Biotechnologen, 04.-06.03.1997, M\u00fcnster.
\n9.\tB. Fuhrmann, U. Spohn, E. Weckenbrock, H. St\u00f6ber und D. Beckmann, Kapillare FIA mit Fluoreszenz- und Chemilumineszenzdetektion, 8.Heiligenst\u00e4dter Kolloquium, Heiligenstadt, 07.10. – 09.10.1996, Vortrag.
\n10.\tD. Janasek und U. Spohn, Elektrochemische und optische Kohlepastesensoren – Ein Vergleich, 8.Heiligenst\u00e4dter Kolloquium, Heiligenstadt, 07.10. – 09.10.1996, Poster.
\n11.\tU. Spohn, H. Mana, E. Most, E. Weckenbrock und D. Beckmann, Neue fluorimetrische FIA ( Flow Injection Analysis)-Verfahren auf der Basis schnell reagierender, w\u00e4\u00dfriger o-Phthalaldehydreagzien 9.Heiligenst\u00e4dter Kolloquium, Heiligenstadt, 07.11. – 09.11.1998, Vortrag.
\n12.\tD. Janasek, U. Spohn und H. Lapp, An enzyme modified chemiluminescence detector for hydrogen Peroxide and oxidase substrates, 3th European Conference on Optical Chemical sensors and Biosensors, Z\u00fcrich, 31.03. – 03.04.1996, Vortrag.
\n13.\tE. Weckenbrock, E. Most, D. Beckmann, B. Fuhrmann, H. St\u00f6ber und U. Spohn, Kapillarer Chemi- lumineszenzsensor f\u00fcr die Bestimmung von Wasserstoffperoxid und anderer Oxidationsmittel, Poster beim 3. Dresdner Sensor – Symposium, ver\u00f6ffentlicht in – Chemie – und Biosensoren Aktuelle Anwendungen und Entwicklungstrends, Dresden University Press, 1997, S.89 – 92.
\n14.\tD. Beckmann, E. Weckenbrock, E. Most, H. St\u00f6ber, U.Spohn und B. Fuhrmann, Enzymatisch – amperometrische Phenoldetektion nach Anreicherung mittels Fl\u00fcssigmembranextraktion, Vortrag 3.Dresdner Sensor – Symposium, ver\u00f6ffentlicht in – Chemie – und Biosensoren Aktuelle Anwendungen und Entwicklungstrends, Dresden University Press, 1997, S.131 – 135.
\n15.\tB. Fuhrmann, U. Spohn, E. Most, E. Weckenbrock und D. Beckmann, Tyrosinase modifizierte Kohlekompositelektroden f\u00fcr die Umweltanalytik, 3.Dresdner Sensor – Symposium, ver\u00f6ffentlicht in – Chemie – und Biosensoren Aktuelle Anwendungen und Entwicklungstrends, Dresden University Press, 1997, S.157 – 160.
\nDie ver\u00f6ffentlichten und bisher nicht ver\u00f6ffentlichten Ergebnisse werden partiell den Firmen Mikroanalytische Systeme GmbH i.Gr. Halle und LDC GmbH Langewiesen zur Verf\u00fcgung gestellt, die sich beide mit Betriebs- und Umweltanalytik befassen. Dar\u00fcber hinaus sind 3 weitere Patentanmeldungen in Bearbeitung. Insbesondere bez\u00fcglich der gradientengesteuerten Mikrodurchflu\u00dftitrationen und Kalibrierverfahren sind weitere internationale Ver\u00f6ffentlichungen geplant.
\nDies trifft z.T. auch auf die Weiter\u00fchrung der fluorimetrischen Sensorsysteme zur Bestimmung umweltrelevanter Schwefelverbindungen zu, wobei hier demn\u00e4chst eine Ver\u00f6ffentlichung zu gassensitiven Tauchme\u00dfsonden eingereicht wird.<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Durch die dreieinhalbj\u00e4hrige Forschungs- und Entwicklungsarbeit konnten die Projektziele im wesentlichen erreicht werden. Das umweltanalytisch orientierte Biosensorprogramm f\u00fchrte zu neuen enzymatischen Sensor- und Analysensystemen. W\u00e4hrend der Projektbearbeitung ist es gelungen, die in der Antragsphase entworfenen Kalibrieroutinen und die beabsichtigten Softwareentwicklungen in vollem Ma\u00dfe zu realisieren, so da\u00df eine sehr leistungsf\u00e4hige analytische Me\u00dftechnik entwickelt werden konnte. Einen besonderen Schwerpunkt bildete die sehr erfolgreich verlaufene Entwicklung von in situ konditionierbaren und kalibbrierbaren Sensoren f\u00fcr die enzymatische und gasdialytische Detektion von umweltrelevanten Analyten. Auch die Integration moderner und schnell arbeitender Mikrotrennoperationen, wie z.B. der Gasdialyse, der Membranextraktion und der Festphasenextraktion in enzymatische Mikrodurchflu\u00dfanalysen- und Biosensorsysteme konnte mit Erfolg realisiert werden.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
Zielsetzung und Anlass des Vorhabens Vor der Projektbearbeitung waren nahezu keinerlei Konzepte zur in situ Kalibrierung, d.h. zur Kalibrierung von Chemo – und Biosensoren unmittelbar im Probenreservoir oder in einem Proze\u00dfmedium bekannt. Diese f\u00fcr die me\u00dftechnische Zuverl\u00e4ssigkeit, insbesondere bei der on line \u00dcberwachung von chemischen und biotechnologischen Prozessen mitentscheidende Frage setzt ein hohes Ma\u00df an […]<\/p>\n","protected":false},"author":1,"featured_media":0,"template":"","meta":{"footnotes":""},"categories":[],"tags":[69,53],"class_list":["post-20043","projektdatenbank","type-projektdatenbank","status-publish","hentry","tag-sachsen-anhalt","tag-umwelttechnik"],"meta_box":{"dbu_projektdatenbank_az_ges":"05725\/01","dbu_projektdatenbank_medien":"Innovationen f\u00fcr die Umwelt - In-line Umweltanalytik","dbu_projektdatenbank_pdfdatei":"A-05725.pdf","dbu_projektdatenbank_bsumme":"306.775,13","dbu_projektdatenbank_firma":"Martin-Luther-Universit\u00e4t Halle-WittenbergInstitut f\u00fcr BiotechnologieFachbereich Biochemie\/Biotechnologie","dbu_projektdatenbank_strasse":"Kurt-Mothes-Str. 3","dbu_projektdatenbank_plz_str":"06120","dbu_projektdatenbank_ort_str":"Halle","dbu_projektdatenbank_p_von":"1995-09-01 00:00:00","dbu_projektdatenbank_p_bis":"1999-06-10 00:00:00","dbu_projektdatenbank_laufzeit":"3 Jahre und 9 Monate","dbu_projektdatenbank_telefon":"0345\/5524866","dbu_projektdatenbank_inet":"","dbu_projektdatenbank_bundesland":"Sachsen-Anhalt","dbu_projektdatenbank_foerderber":"9","dbu_projektdatenbank_ab_bericht":"","dbu_projektdatenbank_ist_nachbewilligung_von":"","dbu_projektdatenbank_hat_nachbewilligung":"","dbu_headerimage_cover":"","dbu_submenu":"","dbu_submenu_position":"","dbu_submenu_entry":[]},"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/projektdatenbank\/20043","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/projektdatenbank"}],"about":[{"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/types\/projektdatenbank"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/users\/1"}],"version-history":[{"count":1,"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/projektdatenbank\/20043\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":33046,"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/projektdatenbank\/20043\/revisions\/33046"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=20043"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=20043"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=20043"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}