19.05.2020
ForschungUmwelt

SERS-Spektroskopie in der Abwasseranalytik

Analyse von Abwasserproben auf Diclofenac und Benzotriazol

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  • Abb. 1: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme des SERS-Substrates, hergestellt von der Firma AMO in Aachen.
  • Abb. 2: Molekulare Strukturen von Diclofenac und 1H-Benzotriazol.
  • Abb. 3: Raman-Spektren von a) Diclofenac und b) 1H-Benzotriazol.
  • Abb. 4: Ausschnitt aus einem Raman-Spek­trum von Diclofenac: a) Reinstoff, b) 100 mg/L und c) 1 mg/L in jeweils wässrige Lösungen.
  • Abb. 5: Auftragung der Bandenintensität gegen die Diclofenac-Konzentration.

Die Belastung durch Mikroschadstoffe in aquatischen Umgebungen hat im Laufe der letzten Dekade stark zugenommen. Um deren Verbreitung eingehend zu analysieren und einzudämmen, werden Vor-Ort-Verfahren benötigt. Durch die Fortschritte in der Plasmonik, der Nanostrukturierung und der optischen Komponenten ist die oberflächenverstärkte Raman-Spektroskopie ein möglicher Kandidat. Die Möglichkeiten und Grenzen des Verfahrens werden anhand der Ana-lyse von 1H-Benzotriazol und Diclofenac diskutiert.

Die Raman-Spektroskopie ist eine Methode, um Stoffe zerstörungsfrei und in situ zu analysieren und zu identifizieren. An-wendung findet sie beispielsweise in der pharmazeutischen Qualitätskontrolle und der Forensik. Kostengünstige, tragbare Raman-Geräte sind hierfür schon kommerziell erhältlich. Ein entscheidender Vorteil ist, dass Wassermoleküle so gut wie keine Sig-nale im Raman-Spektrum erzeugen, so dass die Raman-Spektroskopie für die Analyse von wässrigen Proben prädestiniert ist. Die großen Forschungsaufgaben im Bereich der Raman-Spektroskopie sind die Steigerung der Nachweisgrenzen und die Extraktion relevanter Informationen (Chemometrie) mit praxistauglichen Verfahren aus komplexen Stoffmatrices oder Gemischen. Die von der Industrie erzielten Verbesserungen der Raman-Spektrometer durch Erhöhung des Lichtdurchsatzes und ausgefeilte De-tektoren reichen nicht, um mit der Raman-Spektroskopie Spurenanalytik zu betreiben. Daher wird an sogenannten erweiterten Raman-Techniken geforscht, um die inhä-rent schwache Quanteneffizienz zu kompensieren. Eine dieser Techniken basiert auf der oberflächenverstärkten Raman-Streuung (SERS), der 1974 von Fleischmann und Mit-arbeitern [1] entdeckt wurde.

Bei dem SERS-Effekt werden Oberflächenplasmonen in Metallen (Schwingung des Elektronengases gegen die Atomkerne) resonant durch die Anregungswellenlänge angeregt. Resultat sind elektromagnetische Feldüberhöhungen an der Metalloberfläche, die zu enormen Verstärkungen der Raman-Signale der Moleküle an dieser führen. Das Feld der SERS-basierten Spurenanalytik für die Lebenswissenschaften wird sehr intensiv durch die Fortschritte im Bereich der Nanotechnologie erforscht.

Dabei geht es um die Erzeugung von nanoskaligen, plasmonischen Strukturen, wobei man zwischen Nanopartikeln und Substraten unterscheidet. Beide sind inzwischen kommerziell erhältlich. Eine große Anzahl der Veröffentlichun-gen befasst sich mit der Verwendung von plasmonischen Nanopartikeln für analytische Fragestellungen [2]. Es werden aber auch zahlreiche Ansätze mit plasmonischen Substraten beschrieben, die im Durchfluss betrieben werden können [3] oder bei denen die Lösung mit Analyten auf ein Substrat aufgetropft wird. In den angegebenen Veröffentlichungen werden die aktuellen Herausforderungen dahingehend beschrieben, dass die Analyten an die plasmonischen Oberflächen gebracht werden müssen. Hierfür werden unterschiedliche Funktionalisierungen eingesetzt, wobei der Abstand zur Oberfläche durch die Funktionalisierung nicht zu groß werden darf, damit der SERS-Effekt erhalten bleibt. Die Abnahme der Verstärkung erfolgt mit dem Abstand von der Oberfläche zur zwölften Potenz. Moleküle wie z. B. Thiole oder Amine, die eine hohe Affinität zu Gold- oder Silberoberflächen haben, adsorbieren direkt an der Oberfläche und erfahren damit eine hohe elektromagnetische Verstärkung. Bei den übrigen Stoffen verschlechtert sich die Verstärkung, weil die Moleküle nicht an den Stellen der Feldüberhöhungen adsorbieren. Für die extremen Feldüberhöhungen, wie bei Einzelmolekülnachweisen, werden sogenannte „Hot Spots“ benötigt, die in der Lücke zwischen zwei dicht aneinander liegenden Nanopartikeln entstehen. In dem vorliegenden Bei-trag werden SERS-basierte Techniken vor-gestellt, um Diclofenac und 1H-Benzotriazol in Abwasser nachzuweisen.

Herstellung von plasmonischen Substraten

Für die Erzeugung von plasmonischen Nanostrukturen gibt es inzwischen zahlreiche Verfahren, die auf Lithographie, Elektroche-mie, Ablation usw. beruhen. Grundsätzlich wird zwischen deterministischen und nicht deterministischen Strukturen unterschieden. Letztere werden z. B. durch den UV-Laserbeschuss von ultradünnen Gold- oder Silberschichten auf Quarz erhalten. Resultat ist eine Oberfläche, die aus nanoskaligen Partikeln besteht [4]. Andererseits werden durch lithographische Verfahren [5] periodische Strukturen hergestellt, wie in Abbildung 1 visualisiert. Bei den plasmonischen Substraten verteilen sich die Feldüberhöhungen nicht homogen über die gesamte Oberfläche. Oft finden sich die höchsten Verstärkungen an besonderen Bereichen wie Spitzen und Kanten. Die Adsorption der Analyte an die-sen Bereichen ist damit für eine erfolgreiche Analytik essentiell.

SERS Untersuchungen an Mikroschadstoffen

Mikroschadstoffe sind Stoffe, wie Arzneimittel, Kosmetika, Pestizide und sonstige Chemikalien, die schon in sehr geringen Konzentrationen eine Gefahr für die aquatische Umwelt und somit für Tiere und Pflanzen in Gewässern, darstellen. Diclofenac ist ein Wirkstoff des am meisten verbreitetsten Schmerzmittels. Bei Menschen wird bis zu 70% der zugeführten Menge unverändert ausgeschieden und gelangt so in die Abwässer. In Asien hat es ein Massensterben von Greifvögeln herbeigeführt [6]. 1H-Benzotriazol (BTA) wird seit Jahrzehnten als Korrosions- und Frostschutzmittel verwendet und im Haushalt in Geschirrspülmitteln eingesetzt. Laut Umweltbundesamt werden in Europa sehr große Mengen von über 1000 Tonnen pro Jahr verwendet [7]. Daher lässt sich die Chemikalie in Gewässern und sogar im Trinkwasser nachweisen [8]. BTA gilt als schädlich für Wasserorganismen mit langfristiger Wirkung, woraus eine nicht unerhebliche Umweltrelevanz resultiert.

Beide Substanzen sind chemisch sehr stabil, daher werden sie von Kläranlagen nur teilweise aus Abwässern entfernt und gelangen so in die aquatische Umwelt. In Abbildung 2 sind die chemischen Strukturen der Verbindungen dargestellt. Beide Moleküle verfügen über mindestens ein Stickstoffatom, das als Elektronendonor fungieren kann und dieses somit zu einer Adsorption an eine Edelmetalloberfläche befähigt, die für die Verstärkung der Raman-Banden notwendig ist.

In Abbildung 3 sind die Raman-Spektren von Diclofenac und 1H-Benzotriazol dargestellt. Beide Substanzen verfügen über viele Banden, die bezüglich der Identifikation einem Barcode entsprechen. Für eine quantitative Bestimmung wurden die SERS-Substrate in Diclofenac-Lösungen unterschiedlicher Konzentration eingelegt.Nach ein paar Minuten wurden diese Substrate Raman-spektroskopisch untersucht. Abbildung 4 zeigt eine Diclofenac-Bande bei 719 cm-1. Diese Bande wird in SERS-Spektren leicht verschoben bei 712 cm-1 beobachtet und kann als Indikator für die Menge an Diclofenac in der Lösung dienen, da sie mit abnehmender Konzentration kleiner wird (Abb. 5). Auf diese Art konnten 1 mg/L nachgewiesen werden. Die benötigte Nachweisgrenze liegt bei 0,8 µg/L. Deswegen müssen noch weitere Methoden bei der Anreicherung eingesetzt werden, wie zum Beispiel „Magnetic Beads“, um die anvisierte Grenze zu erreichen. Deutlich bessere Ergebnisse konnten mit 1H-Benzotriazol erreicht werden. Die Differenz zur Nachweisgrenze beträgt hier lediglich einen Faktor 2. Diese Ergebnisse wurden sogar mit einer Realprobe, einem kommerziellen SERS-Substrat und einem Vor-Ort-Gerät erzielt. Dies verdeutlicht, dass die Affinität und somit die molekulare Struktur der Substanzen entscheidend sind, um eine Komponente aus einer komplexen Matrix quantitativ zu bestimmen.

Ausblick

Die Versprechungen der Forscher hinsichtlich der Anwendung von SERS in der Vor-Ort- und Spurenanalytik sind noch nicht eingetreten. Für Analyte wie Diclofenac sind durchdachte Methoden erforderlich, die die Substanz sehr nah an die Oberfläche bringen. Dagegen werden die geforderten Nachweisgrenzen von Benzo­triazol mit praxistauglichen, kommerziellen Komponenten fast erreicht. Zudem ist eine Quantifizierung möglich, so dass SERS ein vielversprechender Ansatz für die Vor-Ort Analytik bleibt.

Autoren
Christoph Lenth1, Florian Wieduwilt1, Georgios Ctistis1, Hainer Wackerbarth1

Zugehörigkeit
1Laser-Laboratorium Göttingen e.V., Göttingen, Deutschland

Kontakt
Dr. Christoph Lenth

Photonische Sensortechnik
Laser-Laboratorium Göttingen e.V.
Göttingen, Deutschland
christoph.lenth@llg-ev.de

Literatur
[1] M. Fleischmann, P. Hendra, and A. McQuillan, Chem. Phys. Lett. 1974, 26 (2), 163–166.
[2] S. Schlücker, Angew. Chem. 2014, 125, 4852–4894.
[3] W. Hüttner, K. Christou, A. Göhmann et. al., Microfluid. Nanofluid. 2012, 12 (1-4), 521-527.
[4] K. Christou, I. Knorr, J. Ihlemann et. al., Langmuir 2010, 26 (23), 18564–18569.
[5] J. Barnett, U. Plachetka, C. Nowak et. al., Microelectronic Eng. 2017, 172, 45-48.
[6] M. Meißner, Dtsch. Arztebl. 2008, 105 (24), S. A-1324.
[7] https://www.umweltbundesamt.de/1h-benzotriazol, 2019, Zugegriffen: 28.11.2019
[8] W. Giger, C. Schaffner, and H. –P. E. Kohler, Environ. Sci. Technol. 2006, 40, 7186-7192.

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Hans-Adolf-Krebs-Weg 1
37077 Göttingen

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