PlasmoSens
Kompakter plasmonischer Sensor für die Vor-Ort- Analytik von Schadstoffen im Wasser und in Lebensmitteln
In-situ-Testverfahren für die Überwachung von Wasser und Nahrungsmitteln
Eines der Probleme moderner Industriegesellschaften besteht in der beständigen Zunahme komplexer chemischer Stoffe, die es in der Natur nicht oder nur in sehr geringen Konzentrationen gibt. Hierzu zählen beispielsweise Pestizide, Antibiotika oder auch Hormone. Die Auswirkungen dieser Entwicklung auf die menschliche Gesundheit sind noch kaum verstanden. Es besteht unter Experten jedoch weitgehende Einigkeit darüber, dass ein Übermaß solcher Substanzen langfristig negative Auswirkungen zeitigt. Demgemäß werden Grenzwerte definiert, die insbesondere für Nahrungsmittel künftig nicht überschritten werden dürfen, um ein mögliches Risiko zu minimieren. Ein beträchtliches Problem liegt jedoch darin, dass die Nachweisverfahren für derart komplexe organische Substanzen bisher sehr aufwändig sind und nur stichprobenartig durchgeführt werden können. Das vorliegende Vorhaben hat sich zum Ziel gesetzt, die derzeitigen Nachweismethoden durch ein Verfahren zu ersetzen, das insbesondere im Fall von Flüssigkeiten zu einer permanenten Überprüfung eingesetzt werden kann und gleichzeitig sehr kostengünstig ist, so dass sich die entsprechend überwachten Produkte für den Konsumenten nicht spürbar verteuern.
Hohe Empfindlichkeit durch Plasmonenresonanz
Um die niedrigen Grenzwerte zuverlässig nachweisen zu können, sind sehr empfindliche Sensoren erforderlich. Ein Verfahren, das dies prinzipiell leistet, ist die sogenannte Plasmonenresonanzspektroskopie. Hierbei wird eine Metalloberfläche optisch angeregt, so dass die dort befindlichen Elektronen in Schwingungen versetzt werden. Diese Schwingungszustände bezeichnet man als Plasmonen. Lagern sich nun an der Oberfläche Fremdstoffe ab, führt dies zu einer deutlichen Verschiebung der Frequenz dieser Plasmonen. Dieser Effekt ist allerdings unspezifisch, d.h. er reagiert auch auf gewöhnliche Verunreinigungen der Oberfläche. Um einen solchen plasmonischen Sensor für den Nachweis einer bestimmten Substanz nutzen zu können, muss man daher dafür sorgen, dass sich nur der gesuchte Stoff an der Oberfläche anlagert. Dies wird erreicht, indem man die Oberfläche derart chemisch funktionalisiert, dass nur die gesuchte Substanz gebunden wird. Dies kann beispielsweise mit Antikörpern erfolgen.
Die wesentliche Innovation des Projekts PlasmoSens liegt darin, dass gegenüber gewöhnlichen plasmonischen Sensoren eine strukturierte Oberfläche verwendet wird, die aus einem dichten Teppich sogenannter Nanosäulen besteht. Dadurch vergrößert sich die Oberfläche des Sensors erheblich, was ihn wesentlich empfindlicher macht und es ermöglicht, geringere Stoffmengen nachzuweisen als mit glatten Oberflächen. Zielstellung im Projekt sind Nachweisempfindlichkeiten im Bereich von einigen hundert Nanogramm pro Liter für das Pestizid Atrazin und für das Antibiotikum Streptomycin. Weiterhin soll die Regenerationsfähigkeit des Sensors gezeigt werden, so dass die Eignung für eine kostengünstige, permanente Überwachung bei zyklischem Wechsel des Sensors demonstriert werden kann.
