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Nachweis von Cyanid und Schwermetallen mittels Chip-basierter Chemo- und Biosensoren

Turek, Monika - Philipps-Universität Marburg (2010)

In der Umweltanalytik spielen Cyanid und Schwermetalle eine wichtige Rolle, denn beide Komponenten sind schädlich für den Menschen. Aufgrund ihrer guten chemischen und physikalischen Eigenschaften werden sowohl Cyanid als auch Schwermetalle häufig für industrielle Zwecke verwendet und können somit über industrielle Abgase und Abwässer in die Umwelt gelangen. Darüber hinaus kommen beide Komponenten in der Natur vor.

Im Rahmen dieser Arbeit wurden Silizium-basierte Chemo-/Biosensoren für die qualitative und quantitative Erfassung von Cyanid und Schwermetallen in Flüssigkeiten entwickelt. Im Falle der Cyaniderfassung wurden kapazitive Elektrolyt-Isolator-Silizium (EIS-) Strukturen, auf denen das Enzym Cyanidase immobilisiert wurde, sowie Ag-basierte ionenselektive Elektroden (ISEs) konzeptioniert, mittels Dünnschicht-/Dickschichttechnik prozessiert und hinsichtlich ihrer intrinsischen Sensoreigenschaften charakterisiert und optimiert. Der Cyanid-Biosensor nutzt die lokale pH-Wert-Verschiebung, die bei der enzymatischen Katalyse von Cyanid durch die Cyanidase zu Ammoniak und Formiat entsteht. Die Cyaniderfassung mittels Ag-Halogenid- bzw. Ag-Chalkogenidglas-ISE basiert auf der Komplexbindung zwischen CN^--Ionen in der Lösung und Ag⁺-Ionen in der Membran, die in einer Änderung des Oberflächenpotentials des Sensors resultiert. Sowohl der Enzym-Biosensor als auch die Ag-basierte ISE zeigten ein von der Cyanidkonzentration abhängiges Signal, das gut mit den theoretischen und experimentellen Werten aus der Literatur übereinstimmte. Aufgrund der geringen Aktivität und Stabilität der immobilisierten Cyanidase und unter Berücksichtigung von theoretischen Modellberechnungen zeigte sich jedoch, dass der entwickelte Biosensor nur unter optimalen Labor-Bedingungen für die Cyaniderfassung eingesetzt werden konnte.

Für die Schwermetallerfassung in Flüssigkeiten wurden unterschiedliche Chip- basierte Chalkogenidglas-ISEs mittels gepulster Laserabscheidung hergestellt und für die Messung von Ag⁺-, Cu²⁺-, Pb²⁺- und Cd²⁺-Ionen charakterisiert. Das Messprinzip dieser Sensoren basiert auf einem konzentrationsabhängigen, dynamischen Ionenaustausch zwischen Schwermetallionen aus der Messlösung und Schwermetallionen in der Sensormembran, was zu einer Veränderung des Oberflächenpotentials führt. Die Chalkogenidglas-ISEs zeigten ein von der Schwermetallkonzentration abhängiges Signal, entsprechend der theoretisch zu erwartenden Nernstempfindlichkeit.

In gemischten Schwermetalllösungen konnte neben der hohen Sensitivität der Chalkogenidglas-ISE (z.B. Cu-ISE gegenüber Cu²⁺-Ionen) zusätzlich deren Querempfindlichkeit zu anderen Schwermetallionen in Form einer Multi-Sensoranordnung vorteilhaft eingesetzt werden. Deshalb wurde in einem grundlegenden Experiment in Kooperation mit der Hochschule Bonn-Rhein-Sieg (Prof. W. Heiden) eine "einfache" elektronische Zunge - bestehend aus drei Chalkogenidglas-ISEs (für Ag⁺-, Cu²⁺- und Pb²⁺-Ionen) - aufgebaut. Unter Zuhilfenahme einer Fuzzy-Logic-Software war es im ersten Schritt möglich, Schwermetalle aus Zwei-Komponentengemischen zu separieren.

Darüber hinaus wurde für die gleichzeitige Erfassung von Cyanid und Schwermetallen in Lösungen erstmalig eine portable hybride Messzelle entwickelt und ein Messprotokoll vorgestellt, bei dem Cyanid und Schwermetalle zunächst über eine Ansäuerung und Temperaturbehandlung voneinander getrennt wurden, um anschließend simultan mittels der jeweiligen Chalkogenidglas-ISE potentiometrisch erfasst werden zu können. Diese hybride Messzelle konnte erfolgreich für simultane Messungen von Cu²⁺-, Pb²⁺- bzw. Cd²⁺-Ionen und CN^--Ionen im μ-molaren Konzentrationsbereich eingesetzt werden.

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