Fluor on Tour

Schnelltests für die Fluorid-Bestimmung in Wasser

  • Abb. 1: a) Chemische Struktur des 1:2-Komplexes aus Al3+ und Chrome Azurol B (1), b) Bruttoreaktionsgleichung des Fluorid- Nachweises, c) Reaktion von Fmit dem Komplex (5 × 10–5 M) im Konzentrationsbereich cF– = 0,0–4,0 mg l–1 (adaptiert nach [5]; Abdruck mit Genehmigung von Water SA, 2012. Copyright Water Research Commission, Südafrika).Abb. 1: a) Chemische Struktur des 1:2-Komplexes aus Al3+ und Chrome Azurol B (1), b) Bruttoreaktionsgleichung des Fluorid- Nachweises, c) Reaktion von Fmit dem Komplex (5 × 10–5 M) im Konzentrationsbereich cF– = 0,0–4,0 mg l–1 (adaptiert nach [5]; Abdruck mit Genehmigung von Water SA, 2012. Copyright Water Research Commission, Südafrika).
  • Abb. 1: a) Chemische Struktur des 1:2-Komplexes aus Al3+ und Chrome Azurol B (1), b) Bruttoreaktionsgleichung des Fluorid- Nachweises, c) Reaktion von Fmit dem Komplex (5 × 10–5 M) im Konzentrationsbereich cF– = 0,0–4,0 mg l–1 (adaptiert nach [5]; Abdruck mit Genehmigung von Water SA, 2012. Copyright Water Research Commission, Südafrika).
  • Rurack2_GIT0714.jpgAbb. 2: a) Chemische Struktur des Indikatorfarbstoffs 2 und Nachweisreaktion, b) Farbveränderungen eines mit 2 imprägnierten Papierstreifens als Funktion zunehmender F–Konzentration (von rechts nach links) (adaptiert nach [8]; Abdruck mit Genehmigung von Organic & Biomolecular Chemistry, 2013. Copyright The Royal Society of Chemistry)
  • Abb. 3: CIE1931-(x,y)-Normfarbtafel mit aus den Fluoreszenzspektren abgeleiteten Messpunkten (schwarze Kreise) der Teststreifen zum Nachweis von NaF bei unterschiedlicher Analyt- Konzentration (von links nach rechts: cF– = 0, 0,38, 0,95, 1,9, 3,8, 9,5, 19, 38, 95 ppm; oben), Inset: irreversible Nachweisreaktion; Foto der Teststreifen nach Eintauchen in Lösungen mit unterschiedlicher NaF-Konzentration (unten) (adaptiert nach [11]; Abdruck mit Genehmigung von Angewandte Chemie, 2010. Copyright Wiley-VCH).
  • Abb. 4: Bindung von F– durch stark fluoreszierenden Indikator 3 führt zu einem schwach fluoreszierenden Komplex (unten). Fluoreszenzsignal von Teststreifen, die mit Spots von 3 und zwei unterschiedlichen Konzentrationen an Referenzfarbstoff 4 imprägniert sind und in Leitungswasser mit unterschiedlichem Fluoridierungsgrad eingetaucht wurden (oben).

Fluorid-Zusatz zum Trinkwasser oder Zahncreme ist weit verbreitet und dient vor allem der Zahngesundheit und als vorbeugende Maßnahme gegen Knochenkrankheiten. Doch eine zu hohe Konzentration an Fluorid kann zu gesundheitlichen Problemen führen. Der hier in diesem Artikel vorgestellte Farbschnelltest kann helfen, die Fluoridkonzentration leichter festzustellen.

Einleitung
In den 1950er Jahren wurde die Trinkwasser-Fluoridierung in vielen Ländern der Welt eingeführt, primär um die zahnhygienische Situation der Bevölkerung in Gebieten mit niedrigen natürlichen Fluoridgehalten im Wasser zu verbessern. Obwohl diese Praxis vor allem seit den 1970er Jahren in vielen europäischen Ländern wie Schweden, Tschechien und den Niederlanden aber auch z. B. in China, Südafrika und Israel wieder eingestellt wurde, spielt sie heutzutage global noch in vielen Gegenden von Kanada und den U.S.A., Malaysia und Südkorea, Brasilien und Chile, Großbritannien und Spanien sowie Australien eine bedeutende Rolle.

Genau wie beim Zusatz von Fluoridsalzen zu Zahnpflegemitteln, Lebensmitteln (z. B. Speisesalz) oder kombinierten Vitamin D-Fluorid-Präparaten, wie er beispielsweise in Deutschland praktiziert wird, hemmt der Mineralstoff das Wachstum säurebildender Bakterien im Mund bzw. unterstützt die Reparatur kleiner Zahnschmelzschäden und dient damit der Kariesprophylaxe. Die erhöhte Aufnahme von Fluorid sowohl mit dem Trinkwasser als auch über Lebensmittel, Pflegeprodukte oder Therapeutika kann allerdings gesundheitsschädliche Auswirkungen haben, wobei eine tägliche Gesamtaufnahme von ca. 0,05 mg Fluorid je Kilogramm Körpergewicht als unbedenklich und optimal für die Kariesprophylaxe angesehen wird. Neben diesen anthropogenen Fluoridquellen können auch natürlicherweise relativ hohe Fluoridkonzentrationen führende Aquifere, vor allem in Gegenden der sogenannten „fluoride belts" im Ostafrikanischen Graben, von der Türkei über Irak, Iran, Afghanistan und Indien bis nach China sowie in Südamerika, zu erhöhten Expositionen der Bevölkerung führen [1]. Bei den wichtigsten, durch Fluorid hervorgerufenen Gesundheitsschädigungen handelt es sich um die dentale oder skeletale Fluorose; in weniger häufigen Fällen können auch Nierenversagen und Nierensteinleiden die Folge sein [2].

Laborgestützter Fluorid-Nachweis
Für den quantitativen Nachweis von Fluorid werden bislang vor allem unterschiedliche analytische Techniken eingesetzt, die spezifische Geräte, erfahrene Anwender und z.T.

langwierige Prozeduren in einer konventionellen Laborumgebung benötigen. Im Bereich der Wasseranalytik haben sich insbesondere die Ionen-Chromatographie und die potentiometrische Bestimmung mittels Ionen-selektiver Elektroden etabliert [1]. Der Fluorid-Nachweis aus anderen, in der Regel komplexeren Matrices wie Zahnpflegeprodukten oder Lebensmitteln, Pflanzen- oder Bodenproben erfordert zudem meist aufwendige und zeitintensive Probenaufarbeitungsverfahren. Gemein ist all diesen Verfahren, dass sie mit Kalibrierkurven arbeiten um eine quantitative Aussage zur Fluorid-Ionenkonzentration machen zu können. Einfachere und schnellere Verfahren, die in der Regel aber ebenfalls Aufarbeitungs- bzw. Reaktionsschritte und eine externe Kalibrierung benötigen, sind photometrische Verfahren mit konventioneller Instrumentierung [3] oder in Verbindung mit Fließ-Injektions-Analysen (FIA) [4]. Ein Nachteil der photometrischen Analyse von Fluorid ist aber, dass die Nachweisreaktion häufig auf dem Ausbleichen eines Komplexes von Metallionen wie Al(III) oder Zr(IV) mit einem organischen Farbstoff wie Methylthymol Blau oder Malachit Grün beruht [5]. Je nach Protokoll handelt es sich dabei mechanistisch um einen kompetitiven oder einen Verdrängungsassay, bei denen Fluorid nur indirekt detektiert wird. Im ersten Fall konkurrieren Fluorid und der organische Farbstoff um die Bindungsstellen am Metallion, im zweiten Fall hat der Angriff von Fluorid am Zentralion eine (zumindest partielle) Dissoziation des Komplexes zur Folge (Abb. 1). Beiden Nachweismechanismen ist immanent, dass sie stark von der Anwesenheit anderer Anionen in der Proben- bzw. Messlösung und ihrem Bindungsverhalten zu den Metallionen abhängen und alle Nachteile eines indirekten Nachweises mit sich bringen. Diese klassischen photometrischen Verfahren gelten daher schon seit längerem als vergleichsweise anfällig und mit großen Messunsicherheiten behaftet.

Fluorid-Nachweise mit matrix-gebundenem Indikationssystem
Insbesondere bei optisch-spektroskopischen Verfahren bietet sich eine Kombination des signalgebenden Nachweisschritts mit verschiedensten Matrices an, was für die spätere Entwicklung eines kostengünstigen, schnellen und flexibel einsetzbaren Assays und die dafür in der Regel notwendige Geräteintegration von großem Vorteil ist. Ansätze, Nachweisverfahren für Fluorid auf einem Träger zu realisieren, hat es daher auch schon seit einigen Jahren gegeben, u.a. die Immobilisierung von Meerrettich-Peroxidase oder einem klassischen organo-Farbstoff-Metallkomplex auf Silica-Gel [6]. In Analogie zum photometrischen Assay steht allerdings auch beim enzymatischen Assay die indirekte Detektion über die Enzymhemmung durch Fluorid im Vordergrund. Zudem sind auch diese trägergebundenen Verfahren zumeist an Laborgeräte zur Datenaufnahme gebunden.

Vor-Ort-Analytik von Fluorid
Für viele praktische Anwendungen bzw. in den Bereichen der Trinkwasseranalytik, in denen eine direkte Kontrolle vor Ort an der Zapfstelle bzw. beim Konsumenten oder Nutzer wünschenswert wäre, muss das Nachweissystem nicht nur möglichst trägerfixiert sein, um robust und gut handhabbar zu sein, und der Test nicht nur möglichst kostengünstig sein, sondern die gesamte Ausrüstung sollte möglichst klein, leicht und vor allem einfach zu bedienen sein. Teststreifen, bei denen die Nachweischemie in ein Trägermaterial aus Papier, Glas oder Kunststoff eingebettet ist, haben sich dabei in der Vergangenheit als das beliebteste Format erwiesen. Neben den traditionellen qualitativen Farbumschlags- bzw. semi-quantitativen Farbabstufungs-Tests haben gerade in den letzten Jahren viele Entwicklungen bei der Miniaturisierung von Auslesegeräten bzw. in der Assay- und Träger-Chemie zu neuen und interessanten Entwicklungen für quantitative Varianten in diesem Format geführt [7]. Im Bereich des Fluorid-Nachweises hat es daher auch bereits verschiedene Ansätze gegeben, die meist allerdings lediglich ein semi-quantitatives Ergebnis bei Messungen in Modellmedien in einem relativ hohen Konzentrationsbereich, der z.T. deutlich über dem von der US Umweltbehörde EPA (US Environmental Protection Agency) festgelegten Grenzwert von 0,7 ppm liegt, zulassen (Abb. 2) [8]. Diese Tests arbeiten häufig über irreversible Farbänderungen, die selten die benötigten Nachweisgrenzen erreichen. Auch für kommerziell erhältliche Fluorid-Test-Kits bzw. -Teststreifen ist dieser Konzentrationsbereich in der Regel kaum erreichbar [9], wobei diese Tests z.T. primär zum Nachweis von Flusssäure etwa in der Chipproduktion beworben werden [10]. Ein separates Handling von Reagenzien sollte bei einem Teststreifen-Assay für ungeübte Anwender allerdings möglichst vermieden werden.

Fluorometrische Tests
Der fluorometrische Nachweis stellt als empfindlichere Detektionsmethode prinzipiell eine vielversprechende Alternative für optische Schnelltests dar. Wenn man von irreversiblen, sogenannten chemodosimetrischen Nachweisreaktionen absieht, die in wässrigen Realmedien allerdings häufig durch vergleichsweise lange Reaktionszeiten gekennzeichnet sind und jeweils der Kalibration bedürfen (Abb. 3) [11], besteht auch hier das Problem darin, die relativ schwachen Bindungskräfte von Anionen mit organischen Rezeptormolekülen in ein starkes Fluoreszenzsignal umzuwandeln. In dieser Hinsicht konnte kürzlich gezeigt werden, dass das rationale Design eines spezifischen Indikatormoleküls und dessen Einbettung in eine adäquate Matrix in Kombination mit einem geeigneten internen Referenzierungssystem die Entwicklung eines quantitativ und reversibel Fluorid anzeigenden Teststreifens erlaubt. Dieser arbeitet verlässlich im für die Trinkwasseranalytik geforderten Konzentrationsbereich um 0,7 ppm [12].

Der entwickelte Test beruht auf drei Hauptmerkmalen. Erstens garantiert maßgeschneidertes molekulares Design des Fluoreszenzindikators 3 (s. Abb. 4), dass die Amidothioharnstoff-Bindungsstelle Fluorid reversibel über Wasserstoffbrückenbindungen selbst in wässrigen Medien komplexiert und dabei zu einer starken Löschung der Fluoreszenz ohne signifikante spektrale Änderungen führt. Zweitens ist 3 hinreichend hydrophob um sich sterisch in einer Nitrocellulose-Membran immobilisieren zu lassen ohne ausgewaschen zu werden. Drittens erlauben es der modulare Aufbau des Grundgerüstes von 3 und der Signalgebungsmechanismus, Farbstoffe mit aufeinander abgestimmten spektroskopischen Eigenschaften (z.B. 4), die nicht auf Fluorid reagieren, einfach herzustellen und in gewünschter Konzentration und somit Signalabstufung als interne Referenzspots auf dem Träger aufzubringen (Abb. 4). Zur einfachen, verlässlichen und reproduzierbaren quantitativen Bestimmung von Fluorid können die Teststreifen mit einem kommerziellen, tragbaren Lateral-Flow-Lesegerät in wenigen Sekunden ausgewertet werden.

Ausblick
Wie hier am Beispiel Fluorid gezeigt, haben die jüngsten Fortschritte auf dem Gebiet der Teststreifen-Nachweise eine verlässliche Analytik einen großen Schritt näher an den ungeschulten Anwender herangebracht. Der Schlüssel zum Erfolg liegt in der optimalen Abstimmung der Nachweischemie, ihrer Einbettung in eine entsprechende Matrix und der Anwendung geeigneter kalibrationsfreier Referenzierungsstrategien. In naher Zukunft ist zudem zu erwarten, dass Smartphones, mittlerweile selbst in Entwicklungsländern weit verbreitet und ausgestattet mit leistungsstarken Kameras, in Kombination mit der entsprechenden Software (sensory apps) sowohl heutige konventionelle Lesegeräte wie auch das nur subjektiv agierende menschliche Auge im Sinne einer verlässlichen und quantitativen Schnelltest-Analytik ablösen werden. Der einfache, schnelle und quantitative Nachweis von Fluorid in Trinkwasser wird so breiten Bevölkerungsschichten ermöglicht und kann zur Steigerung der Lebensqualität beitragen.

Danksagung
Die Autoren danken der Alexander-von-Humboldt-Stiftung für die Unterstützung der Arbeiten durch ein Stipendium für Dr. Ashokkumar.

Literatur
[1] World Health Organization: Fluoride in Drinking-water, Background document for development of WHO Guidelines for Drinking-water Quality, WHO/SDE/WSH/03.04/96 (2004).
[2] Newbrun E.: Journal of Public Health Dentistry 70, 227-233 (2010)
[3] Zolgharnein J. et al.: Analytical Sciences 25, 1249-1253 (2009)
[4] Shimada K. et al.: Talanta 66, 80-85 (2005)
[5] Barghouthi Z. und Amereih S.: Water SA 38, 543-548 (2012)
[6] Yablotskiy K.V. et al.: Analytical Letters 40, 1521-1539 (2007)
[7] Lan W.J. et al.: Lab on a Chip 13, 4103-4108 (2013)
[8] Yong X. et al.: Organic & Biomolecular Chemistry 11, 2254-2257 (2013)
[9] http://www.microwaterman.com/TestingKits/FluorideTestKit.html#Fluoride_Test
[10] http://www.mn-net.com/Testpapers/Testpapersforqualitativedeterminations/FluoridTestpapier/tabid/10439/language/de-DE/Default.aspx
[11] Hu R. et al.: Angewandte Chemie 122, 5035-5038 (2010)
[12] Ashokkumar P. et al.: Angewandte Chemie 126, 2257-2261 (2014)

Weitere Beiträge zum Thema: http://bit.ly/Wasseranalytik
Weitere Beiträge des BAM: bit.ly/GIT-BAM

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