Projekt 10660/01

Amperometrischer Ammoniumsensor

ProjekttrÀger

SensLab GmbHGesellschaft zur Entwicklung und HerstellungBioelektrischer Sensoren mbH
Bautzener Str. 67
04347 LeipzigZielsetzung und Anlass des Vorhabens Ziel ist die Entwicklung eines neuartigen amperometrischen Ammoniumsensors, der auf der Grundlage der Dickschichttechnik die reproduzierbare Herstellung grĂ¶ĂŸerer StĂŒckzahlen von Einwegsensoren zur schnellen und einfachen Bestimmung des umweltrelevanten Parameters Ammonium in wĂ€ĂŸrigen Medien ermöglicht. Die ammoniumselektive Schicht des Sensors soll aus der Kombination elektrisch leitfĂ€higer (mediatordotierter) Redoxpolymerfilme und ionenselektiver Schichten bestehen, die technologiekompatibel aufzubringen sind. Die Sensoren sollen rekalibrierbar und fĂŒr eine bestimmte Analysenanzahl nutzbar sein. Sie können in Kombination mit immobilisierter Urease zur Harnstoffbestimmung sowie mittels entsprechender ammoniumbildender Enzyme zum Nachweis weiterer Substrate dienen. Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenVerschiedene Redoxpolymere sowie mit Ionophoren dotierte Polymerschichten werden durch dip-coating oder Elektropolymerisation auf amperometrische Platin- und KohlenstoffelektrodenoberflĂ€chen aufgebracht und mittels elektrochemischer Methoden hin-sichtlich AmmoniumsensitivitĂ€t und -selektivitĂ€t untersucht. Die optimale Membranzusammensetzung wird fĂŒr die Erarbeitung der Sensorstrukturierung in Dickschichttechnik (bei SensLab) verwendet. Es sollen LeiterzĂŒge, Gegen- und Referenzelektrode, Kontaktierung der Arbeitselektrode sowie isolierende Abdeckschicht als polymere Dickschichtpasten in geeigneter Technologie auf ein polymeres TrĂ€germa-terial aufgebracht sowie das sensitive System technologiekompatibel als ArbeitselektrodenoberflĂ€che appliziert werden, um eine einfache und kostengĂŒnstige Herstellung der Sensoren zu ermöglichen. Nach der Ermittlung der Sensorparameter und dem Test des Sensors an realen Proben aus laufenden Sanie-rungsvorhaben des UFZ werden schließlich Untersuchungen zur Immobilisierung von Urease auf dem Sensorsystem (Harnstoffsensor) durchgefĂŒhrt. Ergebnisse und Diskussion Ein amperometrischer Sensor zur Bestimmung von Ammonium in wĂ€ĂŸrigen Medien wurde entwickelt. Die Bestimmung erfolgt nach Mischen der Probe mit Pufferlösung ohne Zusatz weiterer Substanzen bei einer vergleichsweise niedrigen Polarisationsspannung von +300 mV vs. interne Referenzelektrode. Die Verwendung eines Dreielektrodensystems sichert eine bessere SensorstabilitĂ€t im Vergleich zu Zweielektrodensystemen. Die Herstellung polyanilinmodifizierter Ammoniumsensoren erfolgt durch die elektrochemische Polymerisierung von Anilin auf der ArbeitselektrodenoberflĂ€che eines in Dickschichttechnik hergestellten amperometrischen Sensors. FĂŒr die Polymerisierung können saure Anilinlösungen oder solche auf der Basis eines Gemischs SĂ€ure / organisches Lösungsmittel verwendet werden. Die Messung erfolgt in Glycinpufferlösung pH 10,5. Die Nachweisgrenze fĂŒr Ammoniumsulfat betrĂ€gt 5 ”mol/l (70 ”g/l NH4+-N). Der lineare Meßbereich des Sensors erstreckt sich bis zu 500 ”mol/l Ammoniumsulfat (7 mg/l NH4+-N). Der Sensor ist ĂŒber einen Zeitraum von 60 Tagen lagerfĂ€hig, im Durchflußmeßsystem betrĂ€gt die OperationsstabilitĂ€t 2000 Messungen (fĂŒr 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 SensitivitĂ€t detektiert. Ein ammoniumselektives Zeolith-Material wurde in ersten Versuchen auf der Polyanilin-modifizierten OberflĂ€che aufgebracht. Unter Ausnutzung der Selektions- und Anreicherungsfunktion können eventuell SelektivitĂ€t und SensitivitĂ€t des Ammoniumsensors verbessert werden, was in weiteren Untersuchungen zu prĂŒfen sein wird. Auf der ArbeitselektrodenoberflĂ€che des Ammoniumsensors können ammoniumbildende Enzyme (z.B. Urease) immobilisiert werden, so daß damit erstmals Substrate von Hydrolasen einer amperometrischen Bestimmung unter Verwendung eines Monoenzymsensors zugĂ€nglich 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 Phosphatpufferlösung pH 8,0. Die Nachweisgrenze des Sensors fĂŒr Harnstoff betrĂ€gt 5 ”mol/l, der lineare Meßbereich erstreckt sich bis zu 500 ”mol/l Harnstoff. Die LagerstabilitĂ€t des Sensors im KĂŒhlschrank betrĂ€gt 30 Tage, die OperationsstabilitĂ€t im Durchflußmeßsystem (bis zur 50%-AktivitĂ€t) 500 Messungen (1 mmol/l Harnstoff, Meßabstand 4 min). Ammonium- und Harnstoffsensor sind prinzipiell geeignet fĂŒr die Verwendung in Durchflußmeßsystemen (mit einer speziellen Durchflußmeßzelle) sowie in Kombination mit einem entsprechenden HandmeßgerĂ€t. Die Messung der Ammoniumkonzentration von Proben eines Fermentationsmediums zeigte eine gute Übereinstimmung zwischen den Bestimmungen mittels Sensor, der DIN-Methode und photometrischem KĂŒvettentest. Öffentlichkeitsarbeit und PrĂ€sentation Die Ergebnisse wurden als VortrĂ€ge auf entsprechenden Veranstaltungen und als Publikation in einer Fachzeitschrift veröffentlicht: Vortrag auf dem 5. Biosensor-Weltkongreß, Abstract: B. Strehlitz, B. GrĂŒndig, H. Kopinke, Proceedings 5th World Congress on Biosensors, 3.-5.6.1998, Berlin, 153 B. Strehlitz: Amperometrischer Ammoniumsensor, Poster zum Deutschen BioSensor-Symposium, MĂŒnchen, 14.-16.4.1999, 14.-16.4. 1999 Strehlitz, B.; GrĂŒndig, B.: Amperometrischer Ammoniumsensor, Vortrag zum 7. Seminar des Arbeitskreises Elektrochemie in Sachsen, 23.4.1999, Meinsberg 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 B. Strehlitz, B. GrĂŒndig, H. Kopinke: Sensor for amperometric determination of ammonia and ammonia-forming enzyme reactions, Anal. Chim. Acta 403 (2000) 11-23 Strehlitz, B: Enzymsensor-Entwicklungen im Umweltbereich. Vortrag zum Fachkongreß Energie und Umwelt 2000, 29.-30.03.2000, Freiberg Fazit 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 Meßtechnik (Durchflußmeßsysteme oder HandmeßgerĂ€t) an speziellen ProblemfĂ€llen sowie die Verbesserung von SelektivitĂ€t und SensitivitĂ€t durch die Kombination des Polyanilin-modifizierten Sensors mit ammoniumselektiven Zeolithen sind die nĂ€chsten zu lösenden Schritte.

Übersicht

Telefon

0341/234-1830

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Bundesland

Sachsen

Fördersumme

182.965,80 €

Förderzeitraum

01.02.1997 - 15.12.2000