Fachbereich Chemie Institut für Physikalische und Theoretische Chemie Prof. Dr. Günter Gauglitz Langenauer Wasserforum 14.11.2017 Optische Sensortechnik zur Erfassung von Spurenstoffen
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
14.11.2017AK Prof. Gauglitz, IPTC Tübingen @ 2017 Uni Tübingen11
• 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
14.11.2017AK Prof. Gauglitz, IPTC Tübingen @ 2017 Uni Tübingen14
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
14.11.2017AK Prof. Gauglitz, IPTC Tübingen @ 2017 Uni Tübingen15
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
14.11.2017AK Prof. Gauglitz, IPTC Tübingen @ 2017 Uni Tübingen20
• 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
14.11.2017AK Prof. Gauglitz, IPTC Tübingen @ 2017 Uni Tübingen21
n d
BasislinieAssoziationDissoziation
Benz(a)pyren
14.11.2017AK Prof. Gauglitz, IPTC Tübingen @ 2017 Uni Tübingen22
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
14.11.2017AK Prof. Gauglitz, IPTC Tübingen @ 2017 Uni Tübingen23
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
14.11.2017AK Prof. Gauglitz, IPTC Tübingen @ 2017 Uni Tübingen24
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