Projekt 13753/01

Feldtest eines FIA-Monitors zur Phenolbestimmung mittels Biosensoren

ProjekttrÀger

Helmholtz-Zentrum fĂŒr Umweltforschung GmbH - UFZUbZ-Umweltbiotechnologisches Zentrum
Permoserstr. 15
04318 Leipzig
Telefon: 0341/235-2935

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Die Bestimmung von Phenol mittels eines quasi-on-line Verfahrens und unter Verwendung von Biosensoren, wofĂŒr es bisher kein feldtaugliches GerĂ€t gibt, soll an einem speziellen Problemfall im Feld erprobt werden. In einem vorangegangenen Projekt (AZ 03867) wurde ein Prototyp erarbeitet. Probleme waren dabei insbesondere die ungenĂŒgende StabilitĂ€t der Sensoren. An einem beispielhaften industriellen Standort soll der Monitor erprobt werden, der im Verlaufe des Projektes gerĂ€tetechnisch an die weiterzuentwickelnden Sensoren und die Problemstellung angepasst werden soll. Die Untersuchung der Probenmatrix wird in die Sensorweiterentwicklung einbezogen.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenBevor die gerĂ€tetechnische Weiterentwicklung des Monitors durch IMT beginnt, wird im UFZ an der Verbesserung der StabilitĂ€t der Biosensoren gearbeitet, indem die Verfahren zur Redoxmediatormodifizierung und Enzymimmobilisierung verbessert werden. Zur Anpassung des Messverfahrens an den speziellen Problemfall wird die Probenmatrix mit dem Standardverfahren (photometrische Methode nach DIN) untersucht und ihr Einfluss auf den Sensor charakterisiert. Aufbauend darauf beginnt im IMT ca. 6 Monate spĂ€ter die gerĂ€tetechnische Überarbeitung des Monitors. Anschließend erfolgt die Aufstellung des Monitors in einem Messcontainer vor Ort am Schadensfall einer biologischen KlĂ€ranlage eines phenolhaltigen Grundwassers in Terpe. Dort wird der Feldtest des Monitors unter Verwendung der Biosensoren mit verbesserter FunktionsstabilitĂ€t durchgefĂŒhrt.


Ergebnisse und Diskussion

Zur Verbesserung der FunktionsstabilitĂ€t von Phenolsensoren wurde ausgehend von redoxmediatormodifizierten Elektroden, die den Redoxmediator inkorporiert im Elektrodenmaterial enthielten, neue Möglichkeiten der Mediatorfixierung untersucht. Dazu gehörte die Kopplung an einen Ionenaustauscher und anschließende Fixierung in einer PVC-Membran auf der Arbeitselektrode, die Adsorption einer wasserunlöslichen Form des Redoxmediators auf der ElektrodenoberflĂ€che und die elektrochemische Polymerisierung. Letztgenanntes Vefahren fĂŒhrte zu vergleichsweise guten FunktionsstabilitĂ€ten (900 Messungen im FIA-System bis zur 50%-AktivitĂ€t). Die Enzymimmobilisierung erfolgte in einem Poly(carbamoylsulfonat)-Hydrogel, das Verfahren wurde ebenfalls mit dem Ziel besserer FunktionsstabilitĂ€t modifiziert. Im Ergebnis weisen die Phenolsensoren neben der verbesserten FunktionsstabilitĂ€t einen erhöhten linearen Messbereich (0,01 - 5 mg/l Phenol) auf. Die SensitivitĂ€t der Sensoren liegt je nach QualitĂ€t der dickschichtmodifizierten Grundsensoren bei 2,5...10 mA/cmÂČ mM. Die Nachweisgrenze fĂŒr Phenol betrĂ€gt 2 ”g/l. Die Reproduzierbarkeit im FIA-Betrieb wird durch eine Standardabweichung von 0,3 ... 5% fĂŒr Modellösungen gekennzeichnet.
Die Sensoren wurden in einem weiterentwickelten FIA-Monitor eingesetzt. Der Monitor wurde bezĂŒglich ProbenzufĂŒhrung, Messbereich, Arbeitstemperaturbereich an die Bedingungen am Erprobungsstandort biologische KlĂ€ranlage in Terpe angepasst. In der KlĂ€ranlage wird Grundwasser mit hohem Phenolgehalt (> 100 mg/l) vorgereinigt, so dass der Phenolgehalt ca. 1 mg/l betrĂ€gt. Die Hard- und Software des GerĂ€ts wurden grundsĂ€tzlich ĂŒberarbeitet, wobei die Erkenntnisse aus der Sensorweiterentwicklung eingeflossen sind. Wesentliche Neuerungen sind die Änderung des Messablaufs mit Sensorkalibrierung vor jeder Messung und die Verwendung von Cavro-Dosierern fĂŒr die ProbenverdĂŒnnung. Das Messregime wurde an die Erfordernisse am Standort angepasst. Bei der abschließenden Erprobung am Standort wurden Sensoren ĂŒber ein bzw. zwei Wochen eingesetzt. Ihre AktivitĂ€t sank in dieser Zeit auf ca. 20 ... 30 % der AnfangsaktivitĂ€t. Mit Bezug auf die KomplexitĂ€t der Probenmatrix eines KlĂ€ranlagenablaufs ist dieser AktivitĂ€tsabfall akzeptabel. Die Messwerte des Monitors fĂŒr Phenol im KlĂ€ranlagenauslauf waren geringer als die vergleichsweise mit der DIN-Methode ermittelten Ergebnisse. Ursachen können einerseits die unterschiedliche Erfassung des Phenolspektrums der beiden Summenmethoden (DIN bzw. Biosensor) sein, andererseits der rasche oxidative Abbau der Phenole, der wĂ€hrend Filtration und Probenhandling im Monitor eintreten kann. Nach AnsĂ€uerung der Proben, die zur Verzögerung des oxidativen Abbaus fĂŒhrt, wurden höhere Messwerte im Monitor gefunden.
Der FIA-Monitor zur Phenolbestimmung mittels Biosensoren benötigt keine chemische Reaktion vor der eigentlichen Detektionsreaktion. Die Probelösung wird lediglich mit Pufferlösung verdĂŒnnt. Als Abfall entsteht eine verdĂŒnnte Lösung des Analyten. Somit steht eine umweltfreundliche alternative Meßmethode im Vergleich zu photometrischen Verfahren zur VerfĂŒgung, die als Monitor Vor-Ort einsetzbar ist. Am KlĂ€ranlagenauslauf kann der Monitor dazu dienen, die Einhaltung von Grenzwerten zu ĂŒberwachen und bei Funktionsstörungen der KlĂ€ranlage schnell eingreifen zu können.


Öffentlichkeitsarbeit und PrĂ€sentation

Strehlitz, B.; Böhland, C.: Verfahren zur Herstellung eines stabilen redoxmediatormodifizierten Biosensors.
DE 199 57 826.5, 24.11.99.
Strehlitz, B.; GrĂŒndig, 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.
Strehlitz, 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, MaĂł, Menorca, Spain.
Strehlitz, B: Enzymsensor-Entwicklungen im Umweltbereich. Vortrag zum Fachkongress Energie und Umwelt 2000, 29.-30.03.2000, Freiberg.
PowerPoint-PrĂ€sentation auf der Biotechnica 2001: FIA-Monitor fĂŒr die PhenolbestimmungInfoBlatt Angewandte Biosensorik fĂŒr die Biotechnica 2001


Fazit

Das Projektziel, die Verbesserung der FunktionsstabilitĂ€t der enzymatischen mediatormodifizierten Phenolsensoren wurde erreicht. Die Erprobung des weiterentwickelten FIA-Monitors auf der Basis dieser Biosensoren am Standort einer biologischen KlĂ€ranlage verlief erfolgreich. Die Ergebnisse der Sensorerprobung sind in die Konstruktion und die Softwareentwicklung zur Steuerung des Meßsystems eingeflossen. In der Schlussfolgerung des Projekts kann vor der praktischen Anwendung von Biosensoren generell die Anpassung der Sensoren und des Messverfahrens an die Probenmatrix und die Messbedingungen empfohlen werden.

Übersicht

Fördersumme

93.621,12 €

Förderzeitraum

01.06.1999 - 13.02.2002

Bundesland

Sachsen

Schlagwörter

Ressourcenschonung
Umwelttechnik