Umweltanalytik: Schnelles für Schweres
Sie sind gefürchtet und leider nicht immer leicht zu überführen: Schwermetalle. Umweltanalytiker wünschen sich daher schon lange einen Schnelltest, um die giftigen Substanzen einfach, aber sicher nachzuweisen.
Viele Schwermetalle gelten als Umweltgifte oder toxisch für den Menschen. Entsprechend niedrig liegen die gesetzlichen Grenzwerte für Trinkwasser oder Abwässer. Für eine schnelle Analytik vor Ort sowie für Routinekontrollen der Wasserqualität ist eine rasche, kostengünstige Methodik gefragt, die ohne aufwändige Geräte auskommt. Ideal wären Teststreifen, die einfach eingetaucht werden und durch einen Farbumschlag anzeigen, ob ein Schwermetall – und wenn ja, wie viel davon vorhanden ist.
Doch leider erweisen sich die bisher verwendeten kommerziellen Teststreifen als nicht zuverlässig und empfindlich genug. Denn eines der Hauptprobleme gängiger Schwermetall-Teststreifen ist, dass die Reagenzien ausgewaschen werden können, was ihre Leistungsfähigkeit erheblich beeinträchtigt. Ein wirklich zufriedenstellendes Verfahren zur Farbstofffixierung gab es daher bisher nicht.
Das Forscherteam um Toshishige Suzuki vom japanischen Staatsinstitut für angewandte industrielle Wissenschaft und Technik in Tohoku versuchte nun, eine neue Generation von Teststreifen zu entwickeln, die den hohen Anforderungen Stand halten. Ihr Geheimnis sind Farbstoff-Nanokristalle, die durch simples Filtrieren auf einem Membranfilter fixiert werden. Mit den schwermetallspezifische Farbreagenzien, die weder von der Probenlösung ausgewaschen noch abgerieben werden konnten, gelang es ihnen, Teststreifen herzustellen, die spezifisch auf zweiwertiges Zink, Quecksilber oder Eisen ansprechen.
Zunächst mussten die Chemiker das Farbreagens in die Form von nanoskopischen Partikeln bringen. Dazu lösten sie den Farbstoff in einem organischen Lösungsmittel und spritzten unter starkem Rühren in Wasser ein. Da der Farbstoff nicht wasserlöslich war, kristallisierte er aus – unter diesen Bedingungen als Nanokristalle, die feinst verteilt in der Lösung vorlagen. Beim Filtrieren durch eine Zellulose-Membran blieben 99,5 Prozent der Nanopartikel als feine, dichte, gleichmäßige Schicht auf der Membranoberfläche haften.
Da sich die Farbstoffmenge so genau kontrollieren ließ, ist nach Ansicht der Forscher eine wichtige Voraussetzung für Teststreifen erfüllt, die reproduzierbare Ergebnisse liefern sollen. Auf Grund der gleichmäßigen Schicht des Farbreagens reagierte der Streifen sehr empfindlich. So ließen sich Zink-Ionen durch Eintauchen der Teststreifen bis zu einer Konzentration von 65 ppb (parts per billion = ein Teilchen auf eine Milliarde) nachweisen. Noch niedrigere Nachweisgrenzen konnten die Wissenschaftler erreichen, indem sie größere Mengen der Probenlösung durch die mit Farbreagens beschichtete Membran filtrierten und so das Schwermetall anreicherten.
Die neue Methode zur Teststreifen-Herstellung lässt sich auf eine Vielzahl wasserunlöslicher Farbreagenzien anwenden. Die Forscher hoffen daher, eine große Familie metallspezifischer Teststreifen entwickeln zu können.
Doch leider erweisen sich die bisher verwendeten kommerziellen Teststreifen als nicht zuverlässig und empfindlich genug. Denn eines der Hauptprobleme gängiger Schwermetall-Teststreifen ist, dass die Reagenzien ausgewaschen werden können, was ihre Leistungsfähigkeit erheblich beeinträchtigt. Ein wirklich zufriedenstellendes Verfahren zur Farbstofffixierung gab es daher bisher nicht.
Das Forscherteam um Toshishige Suzuki vom japanischen Staatsinstitut für angewandte industrielle Wissenschaft und Technik in Tohoku versuchte nun, eine neue Generation von Teststreifen zu entwickeln, die den hohen Anforderungen Stand halten. Ihr Geheimnis sind Farbstoff-Nanokristalle, die durch simples Filtrieren auf einem Membranfilter fixiert werden. Mit den schwermetallspezifische Farbreagenzien, die weder von der Probenlösung ausgewaschen noch abgerieben werden konnten, gelang es ihnen, Teststreifen herzustellen, die spezifisch auf zweiwertiges Zink, Quecksilber oder Eisen ansprechen.
Zunächst mussten die Chemiker das Farbreagens in die Form von nanoskopischen Partikeln bringen. Dazu lösten sie den Farbstoff in einem organischen Lösungsmittel und spritzten unter starkem Rühren in Wasser ein. Da der Farbstoff nicht wasserlöslich war, kristallisierte er aus – unter diesen Bedingungen als Nanokristalle, die feinst verteilt in der Lösung vorlagen. Beim Filtrieren durch eine Zellulose-Membran blieben 99,5 Prozent der Nanopartikel als feine, dichte, gleichmäßige Schicht auf der Membranoberfläche haften.
Da sich die Farbstoffmenge so genau kontrollieren ließ, ist nach Ansicht der Forscher eine wichtige Voraussetzung für Teststreifen erfüllt, die reproduzierbare Ergebnisse liefern sollen. Auf Grund der gleichmäßigen Schicht des Farbreagens reagierte der Streifen sehr empfindlich. So ließen sich Zink-Ionen durch Eintauchen der Teststreifen bis zu einer Konzentration von 65 ppb (parts per billion = ein Teilchen auf eine Milliarde) nachweisen. Noch niedrigere Nachweisgrenzen konnten die Wissenschaftler erreichen, indem sie größere Mengen der Probenlösung durch die mit Farbreagens beschichtete Membran filtrierten und so das Schwermetall anreicherten.
Die neue Methode zur Teststreifen-Herstellung lässt sich auf eine Vielzahl wasserunlöslicher Farbreagenzien anwenden. Die Forscher hoffen daher, eine große Familie metallspezifischer Teststreifen entwickeln zu können.
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