Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung eines portablen Messgerätes zur Vor-Ort-Prozesskontrolle und Erfassung von Schadstoffen in Wasser auf Basis der Nano-Flüssigkeitschromatografie und Ionenmobilitätsspektrometrie (MiniLAB)

Das Ziel des Forschungsvorhabens besteht in der Entwicklung eines portablen Messgerätes zur Vor-Ort-Prozesskontrolle und Erfassung von Schadstoffen in Wasser. Der im Rahmen des Projektes zu entwickelnde Demonstrator soll aus einer miniaturisierten Einheit zur Anreicherung von wässrigen Proben und der Trennung der in den Proben enthaltenen Zielanalyten mittels Nano-Flüssigkeitschromatografie (Nano-HPLC) sowie aus einem miniaturisierten Detektionssystem auf Basis der Elektrosprayionisation-Ionenmobilitätsspektrometrie (ESI-IMS) bestehen.

Die Kombination aus Nano-HPLC und IMS ist ideal geeignet, da durch diese Kopplungstechnik eine hohe Trennleistung erzielt wird. Darüber hinaus lassen sich die Analyten direkt aus der Wasserphase anreichern, womit eine hochsensitive Erfassung möglich wird. Mit Hilfe dieser Technologie können prinzipiell alle organischen Verbindungen erfasst werden, die mittels ESI ionisierbar sind. Die Anzahl potenziell detektierbarer Zielverbindungen liegt damit über 100.000.

Nach erfolgreicher Umsetzung der angestrebten Forschungsergebnisse stünde KMU aus den Bereichen Abwasser- und Prozesswasseraufbereitung sowie entsprechenden Zulieferern für Abwasserbehandlungsverfahren ein flexibles und im Vergleich zur klassischen Laboranalytik kostengünstiges Analyseverfahren für die Vor-Ort-Prozesskontrolle zur Verfügung. Auf diese Weise ist eine zielgerichtete Vor-Ort-Prozesskontrolle möglich, ohne dass ein zeitintensiver und aufwendiger Probentransport in ein Analysenlabor notwendig ist.

Durch die spezifische Messung von Einzelstoffen in komplexen Matrices ist eine breite Anwendung und somit ein hohes Nutzungspotenzial des zu entwickelnden Messsystems für in den entsprechenden Branchen tätigen KMU gegeben.

Ergebniszusammenfassung:

Die Sicherung der Wasserqualität ist ressourcenintensiv und kostspielig. Vor allem bei Unfällen oder Katastrophen fehlt es an kompakten Geräten, die eine schnelle Beurteilung der aktuellen Situation ermöglichen. Der klassische analytische Workflow bestehend aus Probenahme, dem Transport der Probe in ein Labor, sowie der Vorbereitung und Messung der Probe bis hin zur Datenauswertung und Bewertung des Ergebnisses. Damit ist dieser Prozess in solchen Fällen ungeeignet.

Deshalb wurde innerhalb des beantragten Projektes die Entwicklung eines tragbaren Messgerätes zur Vor-Ort-Detektion von Schadstoffen in Wasser auf Basis von Nano-Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (nano-HPLC) und Elektrospray-Ionisation (ESI)-Ionenmobilitätsspektrometrie (IMS) angestrebt. Zwecks Online-Anreicherung wurde ein Kartuschenwechsler entwickelt und in das Gesamtsystem integriert. Die Einheit gewährleistet die direkte Anreicherung der Analyten aus wässrigen Matrizes und die Trennung des Analytengemisches, um die Komplexität der Probe vor der Ionisierung und Trennung im IMS zu reduzieren. Durch Miniaturisierung und der vollständigen Eliminierung von toxischen Lösungsmitteln konnten auch die Anforderungen der "Grünen Analytischen Chemie" vollumfänglich im Rahmen des Projektes adressiert werden. So wurden Acetonitril und das ungiftige Ethanol als organische mobile Phase im Hinblick auf die Elutions- und Ionisierungseffizienz verglichen und der technische Demonstrator mit passenden grünen Kennzahlen in Hinblick auf seine Umweltfreundlichkeit bewertet.

Nach erfolgreicher Bearbeitung des Projektes wurden so die Grundlagen geschaffen, auf deren Basis ein erster funktionsfähiger technischer Demonstrator im Labormaßstab angefertigt werden konnte. Das System besitzt vielfältige Anwendungsmöglichkeiten im Bereich von Point-of-Care Anwendungen, sowohl für die Wasseraufbereitung, als auch für biopharmazeutische Prozesse im miniaturisierten Maßstab.