DE19611786C2 - Verfahren zur Bestimmung des Gehaltes an organischen Substanzen als Schadstoff in Lösungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Gehaltes an organischen Substanzen als Schadstoff in Lösun­ gen.

Für die Analyse von gelösten Schadstoffen sind die unter­ schiedlichsten Verfahren bekannt. So ist es bekannt, ent­ sprechende Analysen naßchemisch durchzuführen. Diese Verfah­ ren erlauben zum einen nicht kleinste Stoffmengen zu ermit­ teln und zum anderen sind sie zeitaufwendig.

Weiterhin sind physikalische Analyseverfahren bekannt. Hierbei werden für die angesprochenen Stoffe insbesondere die spektroskopischen Verfahren benutzt. Allgemein besteht bei den spektroskopischen Verfahren jedoch ebenfalls der Nachteil, daß kleinste Stoffmengen kaum erfaßbar sind.

Bekannt sind auch biologische Analyseverfahren. Dabei werden Lebewesen, wie Mikroorganismen oder auch höhere Lebewesen, wie Fische in die zu untersuchenden Lösungen eingebracht, siehe DIN 38 412 Teil 15, Bestimmung der Wirkung von Wasserinhaltsstoffen auf Fische oder Riedel u. a. J. Chem. Technol. Biotechnol. 44, 85-106. Aus der Änderung des Verhaltens der Lebewesen lassen sich Rück­ schlüsse auf Schadstoffe ziehen. Eine selektive Aussage über die Art und Menge der gelösten Schadstoffe ist nicht möglich. In der Regel bleibt nur die Aussage, daß Schadstof­ fe vorhanden sind oder nicht.

Weiterhin ist bekannt, daß Bacteriorhodopsin unter dem Einfluß von halogenierten Anästhetica reversible, spektral meßbare Formen bzw. Zwischenzustände annimmt, siehe Biosen­ sors and Bioelectronics 10, 415-422.

Bekannt sind auch Verfahren zur Analyse von festen, wasser­ gelösten und gasförmigen Stoffen mit Hilfe lebender biologi­ scher Materialien, bei denen sich die photoakustisch meßba­ re Absorption selektiv unter Einfluß der Schadstoffe verän­ dert.

Nachteilig ist, daß die biologischen Materialien nur einen qualitativen Nachweis eines bestimmten Schadstoffes zulas­ sen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung des Gehaltes an organischen Substanzen als Schadstoff in Lösungen zu schaffen, das sowohl qualitative als auch quantitative Aussagen zu selbst kleinsten Schad­ stoffmengen zuläßt.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß bei der Bestimmung des Gehaltes an organischen Substanzen, nämlich chlorierten Kohlenwasserstoffen, Phenolverbindun­ gen, BTX-Aromaten und Pyrenen als Schadstoff in Lösungen als Bio-Sensor Bacteriorhodopsin eingesetzt wird.

Es wurde gefunden, daß bei der Zugabe der vorgenannten organischen Substanzen in gelöster Form als Schadstoffe in eine Bacteriorhodopsin enthaltende Lösung eine substanzspe­ zifische Verschiebung des Absorptionsmaximums der Lösung auftritt. Diese ist gekennzeichnet durch:

• - die Schadstoffkonzentration, die erforderlich ist, um das gesamte in der Lösung enthaltene Bacteriorhodopsin in die schadstoffabhängige Form umzuwandeln
• - das Verhältnis der Absorptionen des Bacteriorhodopsin-Pe­ aks bei ca. 570 nm und des schadstoffabhängigen Peaks im Bereich von ca. 450-500 nm.

Aus beiden Werten lassen sich qualitative Aussagen zum ein­ gebrachten Schadstoff ableiten.

Der Vorgang der Veränderung des Absorptionsmaximums ist bei bestimmten organischen Substanzen als Schadstoff reversibel und zwar durch Ausdiffundieren der gelösten Schadstoffe aus der Bacteriorhodopsin enthaltenden Lösung aufgrund ihres hohen Dampfdruckes. Nach vollständiger Ausdiffusion stellt sich das ursprüngliche Absorptionsmaximum des Bacteriorho­ dopsin-Peaks wieder ein.

Beim Nachweis von chlorierten Kohlenwasserstoffen, Phenol­ verbindungen, BTX-Aromaten und Pyrenen tritt bis zum voll­ ständigen Umschlag des in der Lösung befindlichen Bacterior­ hodopsin der neue Absorptionspeak im Bereich von 450-500 nm neben dem Bacteriorhodopsin-Peak auf. Dabei ist das Ver­ hältnis der beiden Peaks von der Konzentration des Schad­ stoffes in der Bacteriorhodopsin enthaltenden Lösung abhän­ gig. Die Konzentration des vorliegenden Schadstoffes in der Lösung läßt sich über die Abnahme des typischen Bacteriorho­ dopsin-Peaks bei ca. 570 nm als auch über die Zunahme des stoffspezifischen Peaks messen bzw. durch Veränderung des Verhältnisses der Absorption bei den entsprechenden Wellen­ längen.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich geringe Mengen der vorgenannten organischen Substanzen, die bisher in der Praxis nicht oder nur mit großem Analysenaufwand meßbar waren, quantitativ messen und zwar schnell und mit hoher Empfindlichkeit.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird in einem ersten Schritt der biologische Sensor, also das Bacteriorhodopsin, ohne Schadstoff in einer definierten Verdünnungslösung photometrisch vermessen und das Ergebnis der Absorption zwi­ schengespeichert. Anschließend wird in einem zweiten Schritt der biologische Sensor mit einer der zu erwartenden organischen Substanzen als Schadstoff in definierter Menge versetzt und wiederum bei gleicher Wellenlänge die Absorpti­ on der Lösung gemessen und das Ergebnis festgehalten. Durch die unterschiedlich große Abnahme der Absorption beim für Bacteriorhodopsin spezifischen Peak und dem gleichzeitigen Ansteigen des Absorptionswertes beim für den Schadstoff cha­ rakteristischen Peak ergibt sich für unterschiedliche Schad­ stoffmengen ein unterschiedliches Verhältnis der beiden Ab­ sorptionen.

Die erhaltenen Werte der Absorptionsverhältnisse bei den entsprechenden Wellenlängen für unterschiedliche Schadstoff­ konzentrationen lassen sich zu einer Kurve verbinden. Mit Hilfe dieser Kurve lassen sich dann unbekannte Schadstoff­ konzentrationen in Lösungen leicht ermitteln.

Die Erfindung soll nachfolgend an einem Beispiel anhand der Zeichnungen erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1: die Kurvenverläufe für eine Bacteriorhodop­ sin-Lösung mit unterschiedlichen Mengen an Tetrachlormethan;

Fig. 2: die konzentrationsabhängige Absorption als Verhältnis der Wellenlängen 473 nm/561 nm.

Fig. 3: den Vergleich der Absorptionsverhältnisse von drei verschiedenen Schadstoffen bei gleichen Zugabemengen in gleichen Konzentrationen.

Für die Absorption des als Sensor eingesetzten Bacteriorho­ dopsins wird eine Bacteriorhodopsin-Lösung mit einem Bacte­ riorhodopsingehalt von 2,7 mg/ml hergestellt. Diese Lösung wird im Verhältnis 1 : 10 mit Standardpuffer E verdünnt. 0,5 ml dieser Lösung werden in eine Küvette gegeben und mit einem Photometer im VIS-Bereich gemessen. Es ergibt sich ein für Bacteriorhodopsin spezifischer Peak bei einer Wel­ lenlänge von ca. 570 nm.

Daran anschließend wird eine 1%ige Lösung von Tetrachlor­ methan in Ethanol hergestellt. In µl-Schritten wird diese Lösung der Bacteriorhodopsin-Lösung zugegeben und jeweils die Absorption gemessen.

Es ergibt sich dabei ein zusätzlicher Peak für Tetrachlor­ methan bei einer Wellenlänge von ca. 470 nm und gleichzei­ tig die Abnahme der gemessenen Absorption beim für Bacte­ riorhodopsin spezifischen Peak bei einer Wellenlänge von ca. 570 nm.

Die von der Konzentration des Schadstoffes abhängige Absorp­ tion als Verhältnis der Wellenlängen 473 nm : 561 nm entspre­ chend der Zugabemenge an Tetrachlormethan ist in der Fig. 2 festgehalten. Die Meßwerte der erhaltenen Absorption bei bekannten Konzentrationen der zu bestimmenden Schadstoffe werden in einer Kurve festgehalten. Die erhaltenen Absorpti­ onswerte für eine Lösung mit unbekanntem Schadstoffgehalt stehen für eine bestimmte Konzentration des Schadstoffes der sich aus der Eichkurve ablesen läßt. Die Konzentration des Schadstoffes ergibt sich quantitativ aus der gemessenen Absorptionskonzentration bei einer bestimmten Wellenlänge.

Qualitative Aussagen zum Schadstoffgehalt lassen sich durch Vergleich der einzelnen schadstoffspezifischen Absorptions­ kurven gewinnen:

• - Die Schadstoffkonzentration, bei der das gesamte in der Lösung befindliche Bacteriorhodopsin in den schadstoffab­ hängigen Zustand umgewandelt ist, ist schadstoffspezi­ fisch. Die entsprechende Konzentration läßt sich aus dem Kurvenmaximum der Absorptionsverhältnisse ablesen.
• - Das konzentrationsabhängige Verhältnis der Absorption schadstoffspezifischer Peak/Bacteriorhodopsin-spezifi­ scher Peak ist ebenfalls schadstoffspezifisch.

Fig. 3 zeigt den Vergleich der Absorptionsverhältnisse von drei verschiedenen Schadstoffen bei gleichen Zugabemengen in gleichen Konzentrationen. Aus den unterschiedlichen Maximalwerten der Kurven und der Lage auf der Abszisse lassen sich erhaltene Werte bestimmten Schadstoffen bzw. Schadstoffgruppen zuordnen.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die Verwendung von Bacteriorhodopsin auf einer Membran als Bio-Sensor erläutert. Dabei wird eine Bacteriorhodopsin-Lösung auf der Oberfläche einer Membran in geeigneter Weise immobilisiert. Auf die getrocknete Bacteriorhodopsin-Schicht wird dann eine definierte Menge einer Schadstofflösung, die chlorierte Kohlenwasserstoffe, Phenolverbindungen, BTX-Aro­ maten oder Pyrene enthält, zugegeben und der Farbumschlag der Bacteriorhodopsin-Schicht beobachtet. Die Membran bzw. das Trägermaterial mit der Bacteriorhodopsin-Schicht kann bei geeigneter Immobilisierung auch direkt in ein zu unter­ suchendes Medium getaucht und anschließend der Farbumschlag ausgewertet werden.

Claims (2)

1. Verfahren zur Bestimmung des Gehaltes an organischen Substanzen als Schadstoff in Lösungen, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Bio-Sensor Bacteriorhodopsin zum Nachweis von chlorierten Kohlenwasserstoffen, Phenolver­ bindungen, BTX-Aromaten und Pyrenen eingesetzt wird und die photometrische Messung der Absorption bei festen Wellenlängen in einem definierten Wellenlängenbereich erfolgt.

2. Verfahren zur Bestimmung des Gehaltes an organischen Substanzen als Schadstoff in Lösungen, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Bio-Sensor Bacteriorhodopsin zum Nachweis von chlorierten Kohlenwasserstoffen, Phenolver­ bindungen, BTX-Aromaten und Pyrenen eingesetzt wird, welches auf einer geeigneten Trägerschicht immobili­ siert ist und mit der zu untersuchenden schadstoffhalti­ gen Lösung in Kontakt gebracht wird, wobei eine Farbän­ derung der Bacteriorhodopsin-Schicht in Abhängigkeit von der Konzentration des Schadstoffes erfolgt.