Projekt 13753/01

Feldtest eines FIA-Monitors zur Phenolbestimmung mittels Biosensoren

Projektdurchführung

Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung GmbH - UFZUbZ-Umweltbiotechnologisches Zentrum
Permoserstr. 15
04318 Leipzig

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Die Bestimmung von Phenol mittels eines quasi-on-line Verfahrens und unter Verwendung von Biosensoren, wofür es bisher kein feldtaugliches Gerät 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 ungenügende Stabilität der Sensoren. An einem beispielhaften industriellen Standort soll der Monitor erprobt werden, der im Verlaufe des Projektes gerätetechnisch 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 gerätetechnische Weiterentwicklung des Monitors durch IMT beginnt, wird im UFZ an der Verbesserung der Stabilität 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 später die gerätetechnische Überarbeitung des Monitors. Anschließend erfolgt die Aufstellung des Monitors in einem Messcontainer vor Ort am Schadensfall einer biologischen Kläranlage eines phenolhaltigen Grundwassers in Terpe. Dort wird der Feldtest des Monitors unter Verwendung der Biosensoren mit verbesserter Funktionsstabilität durchgeführt.


Ergebnisse und Diskussion

Zur Verbesserung der Funktionsstabilität 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 Elektrodenoberfläche und die elektrochemische Polymerisierung. Letztgenanntes Vefahren führte zu vergleichsweise guten Funktionsstabilitäten (900 Messungen im FIA-System bis zur 50%-Aktivität). Die Enzymimmobilisierung erfolgte in einem Poly(carbamoylsulfonat)-Hydrogel, das Verfahren wurde ebenfalls mit dem Ziel besserer Funktionsstabilität modifiziert. Im Ergebnis weisen die Phenolsensoren neben der verbesserten Funktionsstabilität einen erhöhten linearen Messbereich (0,01 - 5 mg/l Phenol) auf. Die Sensitivität der Sensoren liegt je nach Qualität der dickschichtmodifizierten Grundsensoren bei 2,5...10 mA/cm² mM. Die Nachweisgrenze für Phenol beträgt 2 µg/l. Die Reproduzierbarkeit im FIA-Betrieb wird durch eine Standardabweichung von 0,3 ... 5% für Modellösungen gekennzeichnet.
Die Sensoren wurden in einem weiterentwickelten FIA-Monitor eingesetzt. Der Monitor wurde bezüglich Probenzuführung, Messbereich, Arbeitstemperaturbereich an die Bedingungen am Erprobungsstandort biologische Kläranlage in Terpe angepasst. In der Kläranlage wird Grundwasser mit hohem Phenolgehalt (> 100 mg/l) vorgereinigt, so dass der Phenolgehalt ca. 1 mg/l beträgt. Die Hard- und Software des Geräts wurden grundsätzlich überarbeitet, 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 für die Probenverdünnung. Das Messregime wurde an die Erfordernisse am Standort angepasst. Bei der abschließenden Erprobung am Standort wurden Sensoren über ein bzw. zwei Wochen eingesetzt. Ihre Aktivität sank in dieser Zeit auf ca. 20 ... 30 % der Anfangsaktivität. Mit Bezug auf die Komplexität der Probenmatrix eines Kläranlagenablaufs ist dieser Aktivitätsabfall akzeptabel. Die Messwerte des Monitors für Phenol im Kläranlagenauslauf 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 während Filtration und Probenhandling im Monitor eintreten kann. Nach Ansäuerung der Proben, die zur Verzögerung des oxidativen Abbaus führt, 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 verdünnt. Als Abfall entsteht eine verdünnte Lösung des Analyten. Somit steht eine umweltfreundliche alternative Meßmethode im Vergleich zu photometrischen Verfahren zur Verfügung, die als Monitor Vor-Ort einsetzbar ist. Am Kläranlagenauslauf kann der Monitor dazu dienen, die Einhaltung von Grenzwerten zu überwachen und bei Funktionsstörungen der Kläranlage schnell eingreifen zu können.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

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


Fazit

Das Projektziel, die Verbesserung der Funktionsstabilität der enzymatischen mediatormodifizierten Phenolsensoren wurde erreicht. Die Erprobung des weiterentwickelten FIA-Monitors auf der Basis dieser Biosensoren am Standort einer biologischen Kläranlage 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.