Projekt 10660/01

Amperometrischer Ammoniumsensor

Projektdurchführung

SensLab GmbHGesellschaft zur Entwicklung und HerstellungBioelektrischer Sensoren mbH
Bautzener Str. 67
04347 Leipzig

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Ziel ist die Entwicklung eines neuartigen amperometrischen Ammoniumsensors, der auf der Grundlage der Dickschichttechnik die reproduzierbare Herstellung größerer Stückzahlen von Einwegsensoren zur schnellen und einfachen Bestimmung des umweltrelevanten Parameters Ammonium in wäßrigen Medien ermöglicht. Die ammoniumselektive Schicht des Sensors soll aus der Kombination elektrisch leitfähiger (mediatordotierter) Redoxpolymerfilme und ionenselektiver Schichten bestehen, die technologiekompatibel aufzubringen sind. Die Sensoren sollen rekalibrierbar und für 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 Kohlenstoffelektrodenoberflächen aufgebracht und mittels elektrochemischer Methoden hin-sichtlich Ammoniumsensitivität und -selektivität untersucht. Die optimale Membranzusammensetzung wird für die Erarbeitung der Sensorstrukturierung in Dickschichttechnik (bei SensLab) verwendet. Es sollen Leiterzüge, Gegen- und Referenzelektrode, Kontaktierung der Arbeitselektrode sowie isolierende Abdeckschicht als polymere Dickschichtpasten in geeigneter Technologie auf ein polymeres Trägerma-terial aufgebracht sowie das sensitive System technologiekompatibel als Arbeitselektrodenoberfläche appliziert werden, um eine einfache und kostengünstige 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) durchgeführt.


Ergebnisse und Diskussion

Ein amperometrischer Sensor zur Bestimmung von Ammonium in wäßrigen 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 Sensorstabilität im Vergleich zu Zweielektrodensystemen. Die Herstellung polyanilinmodifizierter Ammoniumsensoren erfolgt durch die elektrochemische Polymerisierung von Anilin auf der Arbeitselektrodenoberfläche eines in Dickschichttechnik hergestellten amperometrischen Sensors. Für die Polymerisierung können saure Anilinlösungen oder solche auf der Basis eines Gemischs Säure / organisches Lösungsmittel verwendet werden. Die Messung erfolgt in Glycinpufferlösung pH 10,5. Die Nachweisgrenze für Ammoniumsulfat beträgt 5 µmol/l (70 µg/l NH4+-N). Der lineare Meßbereich des Sensors erstreckt sich bis zu 500 µmol/l Ammoniumsulfat (7 mg/l NH4+-N). Der Sensor ist über einen Zeitraum von 60 Tagen lagerfähig, im Durchflußmeßsystem beträgt die Operationsstabilität 2000 Messungen (für 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 Sensitivität detektiert. Ein ammoniumselektives Zeolith-Material wurde in ersten Versuchen auf der Polyanilin-modifizierten Oberfläche aufgebracht. Unter Ausnutzung der Selektions- und Anreicherungsfunktion können eventuell Selektivität und Sensitivität des Ammoniumsensors verbessert werden, was in weiteren Untersuchungen zu prüfen sein wird. Auf der Arbeitselektrodenoberfläche des Ammoniumsensors können ammoniumbildende Enzyme (z.B. Urease) immobilisiert werden, so daß damit erstmals Substrate von Hydrolasen einer amperometrischen Bestimmung unter Verwendung eines Monoenzymsensors zugänglich 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 für Harnstoff beträgt 5 µmol/l, der lineare Meßbereich erstreckt sich bis zu 500 µmol/l Harnstoff. Die Lagerstabilität des Sensors im Kühlschrank beträgt 30 Tage, die Operationsstabilität im Durchflußmeßsystem (bis zur 50%-Aktivität) 500 Messungen (1 mmol/l Harnstoff, Meßabstand 4 min).
Ammonium- und Harnstoffsensor sind prinzipiell geeignet für die Verwendung in Durchflußmeßsystemen (mit einer speziellen Durchflußmeßzelle) sowie in Kombination mit einem entsprechenden Handmeßgerät. Die Messung der Ammoniumkonzentration von Proben eines Fermentationsmediums zeigte eine gute Übereinstimmung zwischen den Bestimmungen mittels Sensor, der DIN-Methode und photometrischem Küvettentest.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Ergebnisse wurden als Vorträge auf entsprechenden Veranstaltungen und als Publikation in einer Fachzeitschrift veröffentlicht:
Vortrag auf dem 5. Biosensor-Weltkongreß, Abstract: B. Strehlitz, B. Gründig, H. Kopinke, Proceedings 5th World Congress on Biosensors, 3.-5.6.1998, Berlin, 153
B. Strehlitz: Amperometrischer Ammoniumsensor, Poster zum Deutschen BioSensor-Symposium, München, 14.-16.4.1999, 14.-16.4. 1999
Strehlitz, B.; Gründig, B.: Amperometrischer Ammoniumsensor, Vortrag zum 7. Seminar des Arbeitskreises Elektrochemie in Sachsen, 23.4.1999, Meinsberg
Strehlitz, B.; Gründig, 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, Maó, Menorca, Spain
B. Strehlitz, B. Gründig, 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 Handmeßgerät) an speziellen Problemfällen sowie die Verbesserung von Selektivität und Sensitivität durch die Kombination des Polyanilin-modifizierten Sensors mit ammoniumselektiven Zeolithen sind die nächsten zu lösenden Schritte.