Was uns die Farbe des Lichts über Wasserverunreinigungen sagt
Die Herausforderung bei der Messung von Wasserverunreinigungen besteht darin, kostengünstige Geräte herzustellen, die autonom funktionieren und genaue Informationen über chemische und biologische Verunreinigungen über Monate oder sogar Jahre hinweg liefern können. Das EU-finanzierte Projekt NAPES entwickelte den Prototyp einer kolorimetrisch-chemischen Sensorik, die Wasserproben aufnimmt und mithilfe von Mikrofluidik Reagenzien zur Erzeugung einer bestimmten Farbe hinzufügt. "Wir verwenden einen kostengünstigen LED (Licht emittierende Diode)-Photodetektor, um die Farbe zu messen, die mit der Konzentration von Nährstoffen und anderen Verunreinigungen in Wasser zusammenhängt", sagt Projektkoordinator Dermot Diamond vom National Center for Sensor Research an der Dublin City University, Irland. Zwar lag ein besonderer Schwerpunkt auf Phosphat, einer großen Verunreinigung von Gewässern in ganz Europa, "die Chemie kann aber angepasst werden, um auch andere wichtige Verunreinigungen zu erkennen", sagt er. Prototypengeräte wurden im Mittelmeer und in der Arktis sowie in Kläranlagen in Italien und Irland eingesetzt. Der Projektpartner Tellabs of Ireland schätzt, dass der Handelspreis des NAPES-Geräts bei etwa 2.000 EUR liegen wird, das wäre zehnmal niedriger als der aktuelle Verkaufspreis für autonome Umweltanalysatoren. "Wenn wir die Kosten für diese Instrumente senken können, können wir die Anzahl der installierten Geräte erheblich erhöhen und häufiger und an mehr Orten messen, um ein genaueres Bild des Umweltzustandes zu geben", erklärt Professor Diamond. Bio-Detektoren Zur Erkennung biologischer Verunreinigungen wie E. coli-Bakterien baute das Projektteam auf einem sensiblen optischen Sensor auf, der zuerst von der Universität Mailand, Italien, entwickelt wurde. "Das in diesem Detektor verwendete Polymer ist in Wasser unsichtbar, da es den gleichen Brechungsindex wie Wasser hat", erklärt Professor Diamond. Die Oberfläche des Materials wird behandelt, um auf ein bestimmtes Molekül zu zielen. "Da sie mit Brechungsindex zusammenhängt, erzeugt eine veränderte Oberfläche einen anderen Brechungsindex, und was unsichtbar war, wird plötzlich sichtbar. Dieser Effekt bietet eine sehr empfindliche Erkennungsmethode", so der Forscher. Bio-Rezeptoren von Aquila Biosciences wurden auf Mikroperlen von einem anderen Projektpartner, dem Curie-Institut in Paris, Frankreich, fixiert. In Gegenwart von bio-kontaminiertem Wasser werden Bakterien auf die Perlen konzentriert und anschließend über den optischen Detektor aus Mailand zur Messung freigegeben. Diese komplexen Bausteine wurden alle individuell im Rahmen von NAPES weiterentwickelt und dann zu funktionierenden Demonstrationsplattformen zur Validierung in Laborbetrieben zusammengefügt. Unterbrechungsgeräte mithilfe von Licht Das Projektteam entwickelte auch innovative photoschaltbare Materialien. Hierfür wurden Moleküle synthetisiert und eingesetzt, um ein Gel zu produzieren, dessen Eigenschaften sich dramatisch verändern, wenn es Licht ausgesetzt wird, sodass sich das Gel expandiert und zusammenzieht. Fluidische Steuerung erfordert Ventile, die viel Strom verbrauchen und derzeit zu groß sind, um in einen mikrofluidischen Chip integriert zu werden. "Wir haben dieses photoschaltbare Gel in mikrofluidische Kanäle eingebaut und Licht verwendet, damit sich das Gel ausdehnt und zusammenzieht, wodurch sich die Kanäle auf Anfrage schließen oder öffnen", erklärt Professor Diamond. "Wir haben gezeigt, dass wir nicht nur den Fluss ein- und ausschalten können, wir können das Polymergel auch in einer Zwischenstufe halten – teilweise offen –, um die Durchflussrate im Mikrokanal genau zu kontrollieren." Das lichtgesteuerte "Ventil", das patentiert wurde, kann auf einen mikrofluidischen Chip integriert werden und hat das Potenzial für eine Unterbrechungstechnik, mit der Kosten für mikrofluidische Systeme in Analysatoren deutlich reduziert werden könnten.
Schlüsselbegriffe
NAPES, Wasser, Verschmutzung, Sensoren, Photosensoren, Ventile, Mikrofluidik, Nanomaterialien, Phosphate, E. coli, Krankheit, durch Wasser übertragene Krankheiten
