Schädliche Medikamentenreste im Wasser und wertvolle Spurenmetalle in Lösungen, die beim Recyceln von Elektroschrott entstehen, haben eines gemeinsam: In geringen Mengen lassen sie sich nur aufwändig nachweisen. Das könnte sich ändern: Deutsche Forscher haben dafür nun ein einfaches Farbsensor-Prinzip entwickelt. Leuchtet die untersuchte Probe rot, ist das Wasser sauber; färbt es sich dagegen grün, sind die gesuchten Stoffe enthalten. Basis des Ganzen sind eine nanostrukturierte Oberfläche und ein Bakterienprotein, wie die Forscher im Fachmagazin „Sensors and Actuators B“ berichten.
„Arzneimittelreststoffe werden immer problematischer für die Umwelt. Kläranlagen bauen sie nicht vollständig ab“, erklärt Katrin Pollmann vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR). Da der Medikamentenverbrauch wächst, wird auch das Problem der Rückstände in Zukunft zunehmen. Die Dresdener Forscher haben deshalb nun einen neuartigen Sensor entwickelt, der auf einfache Weise anzeigt, ob Rückstände im Wasser enthalten sind oder nicht. „Grundsätzlich eignet sich unser Farbsensor-Prinzip zum Aufspüren aller möglichen Substanzen“, so Pollmann weiter. Gewinnbringend eingesetzt werden könnte es in der Recyclingindustrie, da dort Abwässer anfallen, die noch wertvolle Metalle enthalten können.
Verunreinigungen blockieren Energie-Transfer
Das Sensorprinzip beruht auf einem roten und einem grünen Fluoreszenz-Farbstoff. „Die Farbmoleküle befinden sich auf einer nanostrukturierten Oberfläche, die aus bakteriellen Proteinen besteht“, erklärt HZDR-Forscherin Ulrike Weinert. Die Farbstoffe liegen so dicht aneinander, dass Energie von den grünen auf die roten Farbstoffe übertragen wird, wenn sie mit Licht einer bestimmten Wellenlänge bestrahlt werden, beispielsweise aus einem Laser. Die Probe leuchtet dadurch rot. „Lagern sich dagegen fremde Substanzen, beispielsweise Medikamente oder Schadstoffe, an spezifischen Bindungsstellen zwischen den Farbmolekülen an, wird der Transfer unterbrochen und nur die grünen Farbstoffe strahlen“, so Weinert.
Die nanostrukturierte Oberfläche wird aus den Hüllproteinen von Bakterien gewonnen, die die Forscher im Labor heranzüchten. „Die Proteine bilden regelmäßige Gitterstrukturen auf der Nano-Ebene. Sie eignen sich hervorragend, um funktionelle Gruppen und andere Moleküle gleichmäßig anzuordnen“, so Weinert. Ein wichtiger weiterer Baustein des Sensorprinzips sind die Bindungsstellen auf der Nano-Oberfläche für die nachzuweisenden Substanzen. Dafür werden sogenannte Aptamere eingesetzt. Das sind kurze, einzelsträngige DNA-Fragmente, die so gewählt werden, dass sie die Medikamente oder Schadstoffe spezifisch binden.
Antibiotikum als erster Testfall
Was nun noch aussteht, ist, das Farbsensor-Prinzip an einer Beispielsubstanz zu testen, geplant ist das Antibiotikum Kanamycin. „Ab dann ist es nur noch ein kleiner Schritt bis zur Entwicklung eines vollständigen Farbsensors“, sagt Pollmann. Dafür müssen die Forscher die einzelnen Komponenten – also Bakterienproteine, Farbstoffe und Aptamer – zu einem Sensorchip integrieren. Sie haben auch bereits mit geeigneten Trägermaterialien wie Glas oder Siliziumdioxid experimentiert.
„Der Sensorchip könnte daumennagelklein sein. Man könnte ihn vor Ort mit einer Wasserprobe, die man untersuchen möchte, benetzen. Dazu gehört dann noch eine Laserlichtquelle, die den Chip aktiviert, und ein Detektor, der die Farbänderung misst“, so Pollmann weiter. (Sensors and Actuators B: Chemical, 2013; doi: 10.1016/j.snb.2013.05.051)
(Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, 13.06.2013 – NPO)
