Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Bei keinem der wichtigen anorganischen Inhaltsstoffe von Wasser besteht eine so gro\u00dfe Diskrepanz zwischen Messbedarf und verf\u00fcgbaren, einfachen Nachweismethoden, wie im Fall des Nitrats. Dies gilt insbesondere bei der Untersuchung von B\u00f6den, Pflanzen und f\u00fcr die Wasseranalytik. Der Messbedarf ergibt sich aus der toxischen und cancerogenen Wirkung. Ziel des Projektes ist die Entwicklung und Herstellung eines Ger\u00e4tes f\u00fcr die Messung von Nitrat in Wasser. Der Sensor arbeitet mit einem neuen Nachweisprinzip, welches selektiv auf Nitrat anspricht. Der Sensor soll folgende Eigenschaften haben: kontinuierliche Messung, einfache Anwendung, hohe Empfindlichkeit, hohe Selektivit\u00e4t und lange Lebensdauer.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenIm Rahmen unserer Arbeiten \u00fcber supramolekulare Chemie haben wir mit Hilfe von quantenmechanischen Rechenmethoden und Molecular Modelling durch rationales Molek\u00fcldesign Komplexliganden entwickelt, die selektiv Nitrat binden und als neutrale Carriermolek\u00fcle Nitrat selektiv durch lipophile Membranen transportieren sollten. F\u00fcr diese Verbindungen werden Gr\u00f6\u00dfe und Selektivit\u00e4t der Bindung mit Nitrat experimentell ermittelt und ihre Eigenschaften als Carrier in Membranmodellen getestet. Die Carrier werden dann in PVC-Membranen k\u00e4uflicher, ionenselektiver Elektroden eingebaut und diese ersten Prototypen von uns und der Firma WAS im praktischen Einsatz erprobt. Die Weiterentwicklung zu einem kompletten Me\u00dfsystem erfolgt durch die Firma WAS. Der Einsatz des Ger\u00e4tes ist f\u00fcr die Wasseranalytik, Lebensmittelanalytik, den Pharma-, Agrar- und den Gartenbaubereich vorgesehen.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Das Nitrat-Sensor-Molek\u00fcl (Carrier) wurde am Computer mit Methoden des Molecular Modelling entworfen. Es enth\u00e4lt einen Hohlraum, der selektiv Nitrat aufnehmen und durch die Membran eines Sensors transportieren kann. F\u00fcr das Sensor-Molek\u00fcl (Makrocyclus mit drei Thioharnstoffliganden) wurde eine chemische Synthese entwickelt und mehrere Gramm der Verbindung hergestellt. Erste Tests best\u00e4tigten die hohe Affinit\u00e4t zu Nitrat, aber die L\u00f6slichkeit in der Membran war nicht ausreichend f\u00fcr eine Anwendung in einem kommerziellen Sensor.
\nDas Problem der L\u00f6slichkeit wurde im Stadium der molekularen Planung durch Anh\u00e4ngen von lipophilen Gruppen (sechs Isopropylgruppen) gel\u00f6st. Auch von dieser Verbindung wurde etwa ein Gramm im Labor synthetisiert. Wie erwartet war nun die L\u00f6slichkeit in der Membran ausgezeichnet. Gleichzeitig blieben die Nitratbindenden Eigenschaften durch die Modifikation erhalten, bzw. wurden sogar etwas verbessert. Umfangreiche Tests in verschiedenen Membrantypen ergaben, dass Nitrat in Konzentrationen von 1 bis 2000 mg\/L nachgewiesen werden k\u00f6nnen. Da die gesetzlich vorgeschriebene H\u00f6chstmenge im Trinkwasser 50 mg\/L betr\u00e4gt, ist die Empfindlichkeit damit mehr als ausreichend, um den Sensor wie vorgesehen zum Nachweis von Nitrat im Trink- und Abwasser, einzusetzen. In Konkurrenzexperimenten mit anderen Anionen ergaben sich allerdings Probleme in der Querempfindlichkeit. Bromid, welches die gleiche Gr\u00f6\u00dfe wie Nitrat besitzt, wird noch fester gebunden. Da Bromid im Trinkwasser nur in Spuren vorkommt und keine umweltrelevante Bedeutung hat, schr\u00e4nkt die mangelnde Selektivit\u00e4t die Anwendbarkeit der Methode in der Praxis nicht ein. Schwerer wiegt die allerdings geringere Querempfindlichkeit zu Chlorid. F\u00fcr genaue Bestimmungen von Nitrat muss daher gleichzeitig die Chloridkonzent-ration bestimmt werden. Da f\u00fcr Chlorid bereits sehr gute Nachweisverfahren existieren, ist auch dieses Problem prinzipiell l\u00f6sbar.
\nUm den Sensor in der Praxis zu testen, haben wir PVC-Membranen mit unserem Sensormolek\u00fcl hergestellt und in eine kommerzielle ionenselektive Elektrode (WTW Ionenmeter) eingebaut. Dazu haben wir die Originalmembran entfernt und durch unsere Membranen ersetzt. Zusammen mit der Firma WAS haben wir die Ansprechzeit, Temperaturabh\u00e4ngigkeit und Langzeitstabilit\u00e4t getestet. Alle Daten liegen im \u00fcblichen Bereich f\u00fcr ionenselektive Elektroden. Die Langzeitstabilit\u00e4t ist ausgezeichnet. Ein Ausbluten oder Erm\u00fcden der Membran wurde nicht beobachtet. Die Kompensation der Temperaturabh\u00e4ngigkeit mit \u00fcblichen elektronischen Schaltungen (z.B. dem Modul im WTW Ger\u00e4t) bereitet nach den Untersuchungen der Firma WAS keine Probleme. Einen potentiellen Einsatz unserer Methode sehen wir vor allem in Kombination mit alternativen Methoden. Da sie ein v\u00f6llig anderes Muster an Querempfindlichkeiten zeigt, als die herk\u00f6mmlichen Methoden, k\u00f6nnen mit einem Array verschiedener, ionenselektiver Elektroden Gemische von verschiedenen Anionen (z.B. Nitrat, Hydrogencarbonat, Chlorid, Sulfat usw.) gleichzeitig quantitativ analysiert werden.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Im Rahmen des Projektes wurde im M\u00e4rz 2000 ein Workshop durchgef\u00fchrt. Eine Ver\u00f6ffentlichung ist bereits erschienen: Design of a Neutral Macrocyclic Ionophore: Synthesis and Binding Properties for Nitrate and Bromide Anions, R. Herges, A. Dikmans, U. jana, F. K\u00f6hler, P. G. Jones, I. Dix, T. Fricke, B. K\u00f6nig, Eur. J. Org. Chem. 2002, 3004-3014. Eine Publikation ist im Druck: T. Fricke, A. Dickmans, M. Zable, P. G. Jones, B. K\u00f6nig, R. Herges, Z. Naturwiss. Und eine weitere ist eingereicht: R. Herges, U. Jana, T. Fricke, B. K\u00f6nig, Chem. Comm.
\nDer Projektleiter hat die Ergebnisse in einer ganzen Reihe von Vortr\u00e4gen auf nationalen und internationalen wissenschaftlichen Fachtagungen vorgestellt.<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
In einem neuartigen computergest\u00fctzten, rationalen Ansatz wurde das erste nitratselektive Carriermolek\u00fcl ma\u00dfgeschneidert und im Labor synthetisiert. Der darauf basierende Sensor zeigt eine ausgezeichnete Empfindlichkeit f\u00fcr Nitrat, hat aber Querempfindlichkeiten zu Bromid und Chlorid. Unter Verwendung dieses Carriermolek\u00fcls wurde ein praxistauglicher Prototyp des Nitratsensors gebaut und getestet. In Abwesenheit st\u00f6render Ionen bzw. bei gleichzeitiger Bestimmung von Chlorid mit anderen Me-thoden, ist das Ger\u00e4t ausgezeichnet zum Nitratnachweis in Trink- und Abwasser geeignet. Eine potentielle Anwendung sehen wir vor allem in den sogenannten Sensorarrays zum gleichzeitigen Nachweis mehrerer Stoffe.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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