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2013|14 Jahresbericht Fraunhofer IGB

116 GEFAHRSTOFFDETEKTION DURCH KOMBINATION PHYSIKALISCHER UND BIOLOGISCHER SENSORIK Dr. rer. nat. Iris Trick Gefährdung von Trinkwassernetzen durch toxische Stoffe Kontaminationen aus Industrieunfällen, gezielte Giftanschläge oder Verunreinigungen durch Pestizidauswaschungen land- wirtschaftlicher Nutzflächen sind unvorhersehbare Ereignisse. Für die Bevölkerung stellen sie eine ernstzunehmende Gefahr dar, beispielsweise wenn giftige Substanzen über das Grund- wasser oder Gewässer in die Trinkwasserversorgungsysteme gelangen. Motiviert durch die Situation, dass die Trinkwas- seraufarbeitung und -verteilung mit geeigneter Inline-Mess- technik deutlich gegenüber dem Status quo verbessert wer- den sollte, haben sich Mitarbeiter des Fraunhofer IAF und des Fraunhofer IGB zusammengeschlossen, um ihre Kompetenzen zu bündeln. Physikalische und biologische Verfahren kommen im Projekt »TOXIKOMB« zusammen, um mit einer verbesser- ten, vor allem aber raschen Gefahrstoffdetektion im Trinkwas- serbereich eine innovative Lösung anzubieten. Lösungsweg Das Projektziel besteht im raschen und sicheren Nachweis von toxischen Substanzen durch Kombination elektrochemischer und infrarotspektroskopischer Verfahren mit biologischen Sys- temen. Dabei steht nicht der spezifische Nachweis bestimmter Stoffe im Vordergrund, sondern das Erkennen bzw. der Nach- weis ihrer toxischen Wirkung. Während chemisch-analytische Verfahren in der Lage sind, spezifische Stoffe zu identifizieren, können Lebendzell-Sensoren toxische Einflüsse anhand ihrer Reaktionsmuster anzeigen. Als erste modellmäßig ausgewähl- te Anwendung für das im Projekt entwickelte Nachweissystem ist die Überwachung von Trinkwasser vorgesehen. Biologische Sensoren zeigen toxische Wirkung an Um die toxische Wirkung von Stoffen zu erfassen, setzen wir als biologische Sensoren mammalische Zellen sowie Mikro- organismen ein. Die beiden Zelltypen unterscheiden sich hin- sichtlich ihrer Sensitivität gegenüber verschiedenen Stoffen. Als bakterielle Sensoren wurde Caulobacter crescentus ausge- wählt, als mammalisches Zellsystem wurden humane embryo- nale Nierenzellen für die Untersuchungen etabliert. Impedanzmessung biologischer Signale Die Reaktion der Biosensoren auf verschiedene Substanzen wird mittels Impedanzmessung aufgenommen und bewer- tet. Hierbei wird der Wechselstromwiderstand einer mit Zel- len bewachsenen Elektrode als Funktion der Zeit gemessen. Grundlage dieses Verfahrens ist die Tatsache, dass biologische Systeme auf unterschiedliche Moleküle abhängig von deren Molekülstruktur reagieren. Die damit verbundenen Wechsel- wirkungen können sowohl die am Aufbau der Zelle beteiligten Strukturmoleküle als auch biochemische Stoffwechselreaktio- nen beeinflussen. Die Aktivität der Zelle wird demnach in Ab- hängigkeit der speziesspezifischen Eigenschaften durch zellto- xische Stoffe beeinträchtigt. Dies wirkt sich entweder auf die Wechselwirkungen an Grenzflächen (Nachbarzellen, Material- oberflächen) aus oder führt zu einer messbaren Änderung an Zellbestandteilen. Diese Reaktionen können mittels Impedanz- messung verfolgt werden, da sie einen Einfluss sowohl auf die Ladungen an den Oberflächen als auch auf das Spektrum der Zellwandkomponenten und Reaktionsprodukte haben. UMWELT 1 2 Impedanz[Ω] Zeit [min] 3600 Leitungswasser Leitungswasser Bakterien auf Diamantelektrode Bakterien auf Diamantelektrode 60 s in 1 mM Ni2+ 60 s in 1 mM Ni2+ keine Änderung Anstieg 3300 3000 2850 2900 2950 3000 0 50 100 150 2 μm

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