Erkennung von Schwermetallen in Boden und Wasser: Innovative Vor-Ort-Analysemethode
Ein internationales Forscherteam unter Beteiligung der Universität Paderborn hat eine neuartige Technik entwickelt, mit der toxische Arsen-Spezies im Boden und in Gewässern schnell und präzise nachgewiesen werden können. Die Ergebnisse wurden im Fachjournal „Nanoscale“ der Royal Society of Chemistry veröffentlicht und zeigen, wie kostspielige Laborverfahren durch einfache Technologien ersetzt werden können, um eine unmittelbare Analyse vor Ort zu ermöglichen.
Unterschiedliche Arsen-Formen und ihre Bedeutung
Arsen, ein gefährliches Schwermetall, kommt in Böden und Gewässern vor. Die Toxizität hängt dabei maßgeblich von der chemischen Spezies ab, insbesondere ob Arsen in der Form Arsen(III) oder Arsen(V) vorliegt. Diese beiden Varianten unterscheiden sich sowohl im Umweltverhalten als auch in ihren gesundheitlichen Auswirkungen erheblich. Die präzise Differenzierung ist für die Risikobewertung essenziell, war bislang jedoch mit hohem Aufwand und Kosten verbunden, wie Prof. Dr. Thomas Zentgraf vom Department Physik der Universität Paderborn erläutert.
Limitierungen bisheriger Nachweisverfahren
Zurzeit wird häufig das Verfahren „Surface-Enhanced Raman Scattering“ (SERS) eingesetzt, das durch nanostrukturierte Metalloberflächen die Raman-Signale von Molekülen millionenfach verstärkt und somit auch kleinste Spuren identifizieren kann. Allerdings erfordert die Herstellung der SERS-Sensoren komplexe Prozesse, spezielle Geräte sowie teure Materialien. Zudem müssen die Sensoren oft chemisch behandelt werden, um zuverlässige Ergebnisse zu liefern. Die Auswertung der Daten benötigt leistungsfähige Computer und hochwertige Messgeräte, die für den Einsatz außerhalb von Laboren ungeeignet sind.
Entwicklung einer einfachen und robusten Plattform
Die Forscher haben eine alternative Methode entwickelt, die auf einer sogenannten „Loch-Sphäre-Nanogap-Plattform“ basiert. Hierbei ordnen sich Gold-Nanopartikel selbstständig auf einer Goldoberfläche an. Durch anschließendes Erhitzen und leichtes Ätzen wird die Oberfläche strukturiert, wobei auf aufwändige Lithografieprozesse verzichtet wird. Diese Plattform zeigt eine sehr hohe Stabilität und Reproduzierbarkeit der Messergebnisse. Die Lichtsignalverstärkung beträgt das Hundertmillionenfache, wodurch auch geringste Arsenmengen detektiert werden können. Da die Struktur komplett aus Metall besteht, werden Messungen nicht durch störende Signale aus dem Material verfälscht, was die Zuverlässigkeit erhöht.
Vorteile für den praktischen Einsatz
- Keine Notwendigkeit für teure Geräte oder spezielle Chemikalien
- Funktioniert auch mit weniger präzisen Messinstrumenten
- Ermöglicht Nachweis von Arsen-Spezies mit einfachen Filtern oder Smartphones
- Ideal geeignet für den Einsatz direkt vor Ort, beispielsweise auf Baustellen oder in der Landwirtschaft
Diese Eigenschaften machen die Methode besonders geeignet für Anwendungen, bei denen schnelle und kostengünstige Analysen erforderlich sind.
Weitere Informationen zur Studie sind unter folgendem Link verfügbar: https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2026/nr/d5nr03414k
Kontakt für wissenschaftliche Rückfragen
Prof. Dr. Thomas Zentgraf
Department Physik, Universität Paderborn
Telefon: +49 5251 60-7100
E-Mail: thomas.zentgraf@uni-paderborn.de
