Wissenschaftler:innen der Universität Paderborn haben gemeinsam mit einem internationalen Forschungsteam eine neue Methode entwickelt, mit der sich giftige Arsen-Varianten in Böden und Gewässern schnell und präzise nachweisen lassen. Die Studie wurde im Fachmagazin Royal Society of Chemistry veröffentlicht und zeigt, wie vergleichsweise einfache Technologien aufwendige und teure Laborverfahren ersetzen können. Gleichzeitig eröffnet die Methode die Möglichkeit, Analysen direkt vor Ort durchzuführen.
Unterschiedliche Arsen-Formen im Fokus
Arsen ist ein giftiges Schwermetall, das natürlicherweise in Böden und Gewässern vorkommen kann. Entscheidend ist dabei nicht nur die Konzentration, sondern auch die chemische Form, in der das Arsen vorliegt. Forschende unterscheiden deshalb gezielt zwischen Arsen(III) und Arsen(V).
„Diese beiden Formen verhalten sich in der Umwelt völlig unterschiedlich und haben auch unterschiedliche Auswirkungen auf die Gesundheit. Bisher waren Messungen auf diesem hohen Niveau aber sehr teuer und kompliziert“, erklärt Prof. Dr. Thomas Zentgraf vom Department Physik der Universität Paderborn.
Aufwendige Analyseverfahren bisher Standard
Für den Nachweis kleinster Arsen-Spuren wird bislang meist das sogenannte SERS-Verfahren eingesetzt (SERS = „Surface-Enhanced Raman Scattering“). Dabei handelt es sich um eine hochsensitive analytische Methode, bei der die klassische Raman-Spektroskopie mit nanostrukturierten Metalloberflächen kombiniert wird. Dadurch lässt sich das Raman-Signal von Molekülen millionenfach verstärken, sodass selbst geringste Mengen chemischer oder biologischer Stoffe eindeutig identifiziert werden können.
Allerdings ist die Herstellung solcher Systeme bislang aufwendig. Häufig sind spezielle Maschinen, teure Materialien und zusätzliche chemische Behandlungen notwendig, damit die Sensoren zuverlässig funktionieren.
„Auch die Auswertung der Daten erfordert häufig leistungsstarke Computer und teure Messgeräte, die nicht einfach vor Ort eingesetzt werden können“, ergänzt Prof. Zentgraf.
Neue Nanostruktur vereinfacht den Nachweis
Die Forschenden entwickelten deshalb eine alternative Lösung auf Basis einer sogenannten „Loch-Sphäre-Nanogap-Plattform“. Hierfür werden Gold-Nanopartikel verwendet, die sich selbstständig auf einer Goldoberfläche anordnen. Anschließend wird die Oberfläche erhitzt und leicht angeätzt. Dadurch kann auf die ansonsten notwendige Lithografie – also die Strukturierung mittels Belichtung – verzichtet werden.
Das entstandene System arbeitet äußerst stabil und liefert sehr konstante Messergebnisse. Nach Angaben der Forschenden verstärkt die Methode das Lichtsignal um den Faktor 100 Millionen. Selbst kleinste Mengen von Arsen lassen sich dadurch sichtbar machen. Da die Struktur vollständig aus Metall besteht, entstehen zudem keine störenden Signale aus anderen Materialien, was die Zuverlässigkeit der Messungen erhöht.
Einsatz auch mit Smartphones möglich
Ein wesentlicher Vorteil der neuen Methode liegt in ihrem einfachen Aufbau. Weder teure Maschinen noch spezielle Chemikalien sind erforderlich. Zudem funktioniert die Plattform auch dann zuverlässig, wenn die eingesetzten Messgeräte keine besonders hohe Präzision besitzen.
Die Forschenden konnten nachweisen, dass sich die verschiedenen Arsen-Varianten sogar mithilfe einfacher Filter oder Smartphones erkennen lassen. Dadurch eignet sich die Methode insbesondere für den mobilen Einsatz, etwa auf Baustellen oder in der Landwirtschaft.
Quelle: Schwermetalle in Boden und Wasser erkennen: Neue Methode für die Vor-Ort-Analyse
