Verbesserter Arsennachweis in Wasser, Lebensmitteln und Boden

Sensor kann den globalen Gehalt und die Form arsenhaltiger Moleküle bei sehr niedrigen Konzentrationen identifizieren

02.03.2023 - Frankreich

Es ist ein grausames Paradoxon, dass auf einem Planeten, dessen Oberfläche größtenteils von Wasser bedeckt ist, Hunderte von Millionen Menschen keinen Zugang zu sauberem Trinkwasser haben. Einer der Hauptverursacher für die Verschmutzung von Trinkwasser und natürlichen Wasserquellen ist Arsen, ein in der Erdkruste reichlich vorhandenes und giftiges Element. Arsen ist derzeit in mehr als 100 Ländern als Ursache für die Verunreinigung des Grundwassers bekannt - und kann insbesondere für die Bevölkerung in Entwicklungsländern lebensbedrohliche Krankheiten hervorrufen. Unter diesen Umständen sind effiziente und zuverlässige Arsennachweisverfahren für Wasser, Lebensmittel und Böden erforderlich.

Dominique Vouagner

(Links) Probe eines nanostrukturierten Silberfilms, der mit dem stromlosen Verfahren auf einer Glasplatte mit den Abmessungen 2,5 x 7,5 cm abgeschieden wurde. (rechts) Vergrößerung des stromlos abgeschiedenen nanostrukturierten Silberfilms auf 1,5 µm x 1,5 µm mittels Rasterkraftmikroskopie.

In der Fachzeitschrift Journal of Applied Physics von AIP Publishing berichtet ein Team französischer Wissenschaftler über die Herstellung empfindlicher nanostrukturierter Silberoberflächen zum Nachweis von Arsen selbst bei sehr geringen Konzentrationen.

Die Sensoren machen sich die oberflächenverstärkte Raman-Spektroskopie (SERS) zunutze. Wenn ein arsenhaltiges Molekül an der Oberfläche haftet, wird es ebenfalls mit einem Laser beschossen. Die Arsenverbindung streut das Laserlicht und erzeugt eine identifizierbare Signatur, die ihre Anwesenheit anzeigt.

"Arsen kommt im Wasser in verschiedenen Formen vor, daher ist es wichtig, neben dem Gesamtgehalt auch die Spezies zu quantifizieren", so der Autor Dominique Vouagner. "Durch den Einsatz von SERS können wir Schadstoffe selbst in niedrigsten Konzentrationen nachweisen und spezifizieren. Dazu gehört auch Arsen, das nach den Empfehlungen der Weltgesundheitsorganisation 10 ppb nicht überschreiten sollte.

Das Team verglich die Nachweis- und Spezifizierungsleistung von zwei SERS-Substraten. Eines wurde durch herkömmliche thermische Verdampfung hergestellt, bei der das Material erhitzt wird, bis es verdampft. Das andere wurde mit einem stromlosen Verfahren hergestellt, bei dem eine Beschichtung auf ein Material aufgebracht wird, indem es in eine Flüssigkeit getaucht und eine chemische Reaktion ausgelöst wird. Letzteres hat sich als wesentlich empfindlicher erwiesen und ist relativ einfach und sicher herzustellen, so Vouagner.

"Unsere Technik zur Entwicklung dieses SERS-Substrats ermöglicht eine einfache Herstellung, da sich die stromlosen Schichten leicht auf verschiedenen Substraten abscheiden lassen", sagte sie. "Außerdem haben die Ausgangsverbindungen eine geringe Umwelttoxizität, was ein Vorteil für Nachweismessungen in natürlichem Wasser sowie in Trinkwasser ist".

Die Technik ist eine Abkehr von den bestehenden Referenzmethoden für die Arsenspezifizierung im Spurenbereich, die zeitaufwändig und teuer sind. Herkömmliche Methoden erfordern außerdem eine Vorbehandlung der Proben in einem Labor, so dass sie sich nicht ideal für Vor-Ort-Untersuchungen vor Ort eignen.

Außerdem wird bei der neuen Methode ein festes Substrat verwendet, das eine optische Abfrage ermöglicht.

"Optische Nachweissysteme sind viel empfindlicher als elektronische Systeme, weil sie weniger 'verrauscht' sind", so der Autor Bernard Dussardier. "Gleichzeitig sind sie weniger empfindlich gegenüber parasitären elektromagnetischen Feldern. Außerdem ermöglicht die SERS-Technik direkte Messungen physikalisch-chemischer Eigenschaften, während elektronische Systeme und einige andere optische Systeme indirekt sind."

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