Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Magnetostriktiver Snap Sensitizing-Sensor zur Kontrolle der mikrobiologischen Wasserqualität

Ziel ist ein Snap Sensitizing-Sensor zur Kontrolle der mikrobiologischen Wasserqualität, z. B. entsprechend Trinkwasserverordnung. Der Sensor besteht aus sechs magnetostriktiven Sensorabschnitten (SA). Die Oberflächen von SA 1-5 sind mit jeweils spezifischen Aptameren funktionalisiert, die E. coli, coliforme Keime, Enterokokken, P. aeruginosa und Legionellen binden. Auf der SA-Oberfläche befinden sich beweglich verankerte Goldmikropartikel (GMP), die mit den jeweiligen Aptameren funktionalisiert sind. Die Bindung der Keime erfolgt durch einen Snap Sensitizing-Mechanismus: es wird ein Komplex aus GMP und Keim inelastisch auf der SA-Oberfläche gebunden. Dies führt zu einer starken Verschiebung der Resonanzfrequenz der magnetostriktiven SA, die einfach gemessen werden kann. Daher wird mit einem magnetostriktiven SA erstmals eine einzelne Zelle detektierbar. Die Bestimmung der Gesamtkeimzahl auf SA 6 erfolgt aufgrund der geringeren notwendigen Nachweisempfindlichkeit ohne Snap Sensitizing-Mechanismus. Der Sensor ist thermisch mindestens hundertmal regenerierbar und kann als Bypass in das wasserführende System integriert werden. Den mehr als 21.700 Unternehmen im Bereich Gebäudereinigung bzw. Facility Management (vorwiegend KMU) und den mehr als 2.300 Unternehmen im Bereich textile Dienstleistung (vorwiegend KMU) wird eine innerbetrieblich und kostengünstig anwendbare Methode zur jederzeitigen Kontrolle der mikrobiologischen Qualität von Trink- und Prozesswasser zur Verfügung gestellt. Durch Substitution der kultivierungsabhängigen Methoden nach Trinkwasserverordnung, die durch externe Labore durchgeführt werden müssen, ergeben sich für Unternehmen im Bereich Gebäudereinigung und Facility Management bzw. textile Dienstleister wirtschaftliche Vorteile von über 54 Mio. €/a bzw. über 21 Mio. €/a. Die sofortige Ergebnisverfügbarkeit erlaubt die unmittelbare Einleitung von Korrekturmaßnahmen, und die Hygienesicherheit wird erhöht.

Ergebniszusammenfassung:

Ziel war ein Snap Sensitizing-Sensor zur Kontrolle der mikrobiologischen Wasserqualität. Der Sensor besteht aus 6 magnetostriktiven Sensorabschnitten (SA). Die Oberflächen von SA1-5 sind mit jeweils spezifischen Aptameren funktionalisiert, die E. coli, coliforme Keime, Enterokokken, P. aeruginosa und Legionellen binden. Auf der SA-Oberfläche befinden sich beweglich verankerte Goldmikropartikel (GMP), die mit den jeweiligen Aptameren funktionalisiert sind. Die Bindung der Keime erfolgt durch einen Snap Sensitizing-Mechanismus: Ein Komplex aus GMP und Keim wird inelastisch auf der SA-Oberfläche gebunden. Dies führt zu einer starken Verschiebung der Resonanzfrequenz der magnetostriktiven SA, die einfach gemessen werden kann. Daher wird mit einem magnetostriktiven SA erstmals eine einzelne Zelle detektierbar. Die Bestimmung der Gesamtkeimzahl auf SA 6 erfolgt aufgrund der geringen notwendigen Nachweisempfindlichkeit ohne Snap Sensitizing-Mechanismus. Der Sensor ist thermisch mindestens hundertmal regenerierbar und kann als Bypass in das wasserführende System integriert werden. Zur Bindung der jeweiligen Zielmikroorganismen konnten Aptamere mit Spezifität gegenüber E. coli oder Legionellen identifiziert werden. Ebenso konnte ein Aptamer zur Bindung phylogenetisch unterschiedlicher Bakterien („Gesamtkeime“) identifiziert und charakterisiert werden. Die Aptamerbindung an Bakterien war in unterschiedlichen Wasserqualitäten nicht beeinträchtigt. Die Aptamerbindung an Zellen konnte durch die Erhöhung der Temperatur reversibel aufgehoben werden, wodurch eine Regenerierbarkeit der SA gegeben war. Die Immobilisierung von Aptameren auf vergoldeten Sensoroberflächen konnte erfolgreich demonstriert werden. Durch Messung der Resonanzfrequenz der magnetostriktiven Sensorabschnitte unter Einsatz eines einfachen Netzwerkanalysators war es möglich, sehr geringe Massenänderungen auf Sensorabschnitten, die im wasserführenden System eingebaut werden können, kontaktfrei zu bestimmen.