Eines der Probleme moderner Industriegesellschaften besteht in der beständigen Zunahme komplexer anthropogener Spurenschadstoffe, 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 zeigt.
Eine große Herausforderung liegt darin, dass die Nachweisverfahren für derart komplexe organische Substanzen bisher sehr aufwändig sind und nur stichprobenartig durchgeführt werden können. Um die niedrigen Grenzwerte zuverlässig nachweisen zu können, sind zudem sehr empfindliche Sensoren erforderlich.
Das im Oktober 2015 gestartete „ANTHROPLAS“-Vorhaben hat sich zum Ziel gesetzt, die derzeitigen Nachweismethoden durch ein online-fähiges Verfahren zu ersetzen. Das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderte Projekt wird hierzu eine feldeinsatzfähige Analytik für anthropogene Spurenschadstoffe zum Einsatz in Wasseraufbereitungsanlagen entwickeln und unter praxisnahen Bedingungen erproben.
Die dafür verfolgte chemische Sensorik basiert auf einer wesentlichen Weiterentwicklung der Oberflächenplasmonresonanz-(SPR)-Spektroskopie hin zu einer robusten, zuverlässigen und miniaturisierten vor-Ort-Spektroskopie. Mit dem zu entwickelnden Sensorsystem wird die zielgenaue Steuerung der Wasseraufbereitung, z.B. durch Ozonierung, demonstriert um den Reinigungsprozess sicherer, effizienter und kostengünstiger zu gestalten. Damit leistet das Projekt einen Beitrag zur Sicherung einer sauberen Umwelt und zur verlässlichen Wasserversorgung.
Eine wesentliche Innovation des Projekts Anthroplas liegt darin, dass gegenüber gewöhnlichen plasmonischen Sensoren das optische Vor-Ort-Analytiksystem auf einer nanostrukturierten metallischen Sensoroberfläche basiert, an welche ausgewählte Spurenstoffe anthropogenen Ursprungs spezifisch anbinden können. Im Zuge des Bindungsvorgangs ändern sich die optischen Eigenschaften der Sensoroberfläche, welche mit einem optoelektronischen Detektionssystem permanent abgefragt wird. Eine Änderung des optischen Verhaltens, z.B. im Transmissionssignal, verrät so spezifisch die Präsenz eines Spurenstoffs.
Voraussetzung für eine zuverlässige Funktion ist dabei die Optimierung des Detektionssystems im Hinblick auf Robustheit und hohe Standzeiten im Feldeinsatz. Als Leitsubstanz soll Diclofenac mit einer Konzentrationsauflösung im Submikrogramm pro Liter Bereich gemonitort werden. Das Analytiksystem wird abschließend in ein Funktionsmuster für eine Wasseraufbereitungsanlage integriert und an einer kommunalen Kläranlage im Raum Dresden getestet.
Der ANTHROPLAS-Verbund (Kompletter Projekttitel: „Miniaturisierte plasmonische Sensoreinheit, Meßsystem-Integration und -validierung für die Vor-Ort-Analyse von Wasser auf anthropogene Schadstoffe - ANTHROPLAS“) wird über drei Jahre bis voraussichtlich Ende September 2018 vom Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmen der Initiative „Vor-Ort-Analytik mit photonischen Verfahren für den Einsatz in den Lebenswissenschaften“ gefördert. Projektpartner sind das Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS, die GeSIM Gesellschaft für Silizium-Mikrosysteme mbH, die ECH Elektrochemie Halle GmbH, die Dresden Elektronik Ingenieurtechnik GmbH und die DAS Environmental Expert GmbH.