Optische Sensoren voor de Bepaling van de Waterkwaliteit

Ministerie van Verkeer en waterstaat

Directoraat-Generaa? Rijkswaterstaat

Rijksinstituut voor Kust en lee/RIKZ

Optische Sensoren voor de Bepaling van de Waterkwaliteit een studie naar de toepasbaarheid van optische technieken als in-situ optochemische sensoren voor de detectie van verontreinigingen in het zoete en zoute water

Jaco Quist Rapport RIKZ-94.047 1 april 1994'

Rijksinstituut voor Kust en Zee

CIP-GECEVENS KONINKLIJKE BIBLOITHEEK, DEN HAAG Qulst, Jaco Optische sensoren voor de bepaling van de waterkwaliteit: een studie naar de toepasbaarheid van optische technieken als in-situ optochemische sensoren voor de detectie van verontreinigingen in het zoete en zoute water / Jaco Quist. - Den Haag: Ministerie van Verkeer en Waterstaat, Directoraat-Generaal Rijkswaterstaat, Rijksinstituut voor Kust en Zee/RIKZ Rapport RIKZ-94.047. - Met lit. opg. ISBN 90-369-0104-9 Trefw.: optische sensoren / waterkwaliteit; meettechniek.


Voorwoord Met toenemend plezier en groeiende interesse heb ik in het kader van mijn sociale dienstplicht bij de afdeling Hydro-lnstrumentatie van het Rijksinstituut voor Kust en Zee/RIKZ gewerkt aan een studie naar toepassingen van optische sensoren bij Rijkswaterstaat. Bij het uitvoeren van deze studie en het verwerken van de resultaten in dit rapport heb ik hulp gekregen van een aantal personen van het RIKZ die ik hier kort wil bedanken. Stan Jaworski van de bibliotheek voor zijn hulp bij het zoeken naar relevante literatuur in elektronische literatuurbestanden, die zonder zijn hulp voor mij elektronische doolhoven waren gebleven. Job Korving voor het vervaardigen van enkele figuren in dit rapport. Maarten Ebben voor de discussies en suggesties over de opzet en uitvoering van de studie. Daarnaast heeft hij samen met Ronald van Oort het concept van dit rapport kritisch doorgenomen wat merkbaar heeft bijgedragen aan de leesbaarheid en de inhoudelijke kwaliteit.



Samenvatting In 1993 is bij Rijkswaterstaat een studie uitgevoerd naar de toepasbaarheid van optische analysetechnieken in optochemische sensoren voor de detectie en monitoring van verontreinigingen in het zoute en zoete water. Daarvoor is een literatuuronderzoek uitgevoerd en zijn in 1993 nieuwe ontwikkelingen in de wetenschappelijke literatuur bijgehouden. Dit heeft meer dan 800 referenties opgeleverd, waarvan er bijna 300 worden geciteerd in dit rapport. Alle referenties zijn opgeslagen in een elektronisch literatuurbestand op de afdeling Hydro-Instrumentatie van het Rijksinstituut voor Kust en Zee/RiKZ. In deze studie zijn de geïnventariseerde optische detectieprincipes en de toepassingen hiervan in sensoren en analyzers beoordeeld aan de hand van een aantal criteria. Bij de vaststelling van deze criteria is rekening gehouden met de specifieke meetproblematiek van RWS en de eisen die RWS stelt aan in-situ detectieprincipes voor verontreinigingen in het zoete en zoute water. Van de volgende optische analysetechnieken wordt een overzicht gegeven van de bestaande analytische toepassingen en van optochemische sensorontwikkelingen en -toepassingen: absorptiespectroscopie (AS), fotoakoestische spectroscopie (PAS), thermische lens spectroscopie (TLS), fotopyro-elektrische spectroscopie (PPES), fluorescentiesp.ectroscopie (FL), chemiluminescente bepalingen (CL), bioluminescentè bepalingen (BL), Ramantechnieken zoals RRS (Resonance Raman Spectroscopy) en SERS (Surface Enhanced Raman Spectroscopy), reflectometrie (REF), absorptieve evanescente technieken ais interne reflectiespectroscopie (IRS) en totale interne reflectieve fluorescentie fTIRF) en refract/eve evanescente technieken gebaseerd op interferometrische detectie of op de bepaling van de oppervlakteplasmonresonantie (SPR). Speciale aandacht wordt besteed aan de configuratie van deze optische sensortoepassingen, zoals de introductie van optische fibers in fiberoptochemische sensoren (FOCS) en het gebruik van dunne films in pianaire-lichtgeleider optochemische sensoren (POCS) en geïntegreerdoptische sensoren. Daarnaast wordt uitgebreid ingegaan op de chemische selectoren die toegepast worden om de selectiviteit van chemische sensoren te verbeteren. Veelbelovende chemische selectoren zijn ionoforen voor de detectie van ionen en antilichamen voor de detectie van pesticiden en andere organische verontreinigingen. Het lijkt haalbaar om voor één type chemische seiector een gestandaardiseerd meetinstrument of sensor op basis van een optisch detectieprincipe te ontwikkelen, waarin alleen de chemische seiector verschilt. De toepassing van ionoforen voor RWS-toepassingen lijkt het meest kansrijk in sensoren gebaseerd op absorptiespectroscopie. Detectlelimieten tussen 1 0 ' M en 10 9 M zijn haalbaar. Naast absorptiespectroscopie lijken fotoakoestische spectroscopie (PAS) en fotopyro-elektrische spectroscopie (PPES) geschikt als detectietechniek. Voor de detectie van pesticiden en andere toxische organische verbindingen bieden antilichamen het meeste perspectief als chemische seiector in immunosensoren. Met immunosensoren zijn voor pesticiden in het algemeen detectielimieten tussen 10 6 en 10'12 M haalbaar. Optische detectie is mogeiijk met fiber-optische fluoroimmunosensoren, met TIRF-sensoren en met geautomatiseerde enzymimmunoassays zoals ELISA's. Optische detectie van pesticiden zonder optische mdicatoriabels is mogelijk met interferometrische en


SPR-immunosensoren, waardoor deze refractieve evanescente technieken als kansrijk voor sensortoepassingen beschouwd kunnen worden. Veelbelovende optische technieken voor de in-situ detectie van organische verontreinigingen zijn iRS (Interne RefiectieSpectroscopie) en SERS (Surface Enhanced Raman Spectroscopy). Deze technieken maken gebruik van de vibrationele informatie uit het absorptiespectrum in het infrarood, waar veel organische verbindingen hun moleculaire fingerprint hebben. Met SERS, gebaseerd op de oppervlakteversterking van het Ramansignaal bij geadsorbeerde verbindingen, zijn micromolaire detectielimieten mogelijk. Polymeercoatings die de selectiviteit verder moeten verbeteren zonder dat de oppervlakteversterking van het Ramansignaal afneemt, zijn in ontwikkeling. Met IRS, gebaseerd op de evanescente absorptie door verontreinigingen die penetreren in een polymeerlaag op de Iichtgeieider, zijn micromolaire detectielimieten haalbaar. Voor in-situ detectie moet de selectiviteit van de polymeercoatings nog verbeterd worden, wat mogelijk lijkt door chemische selecteren te immobiliseren in de polymeercoatings.


Summary In 1993 a study was carried out for RWS on the application of optical detection techniques in optochemical sensors for the in-situ monitoring of contaminants in fresh and brackish waters. A literature survey was carried out in order to search for new developments in optochemical sensor and analyzer tecbnology. Approximatily 800 papers have been evaluated and fed into a database at the National Institute for Coastal and Marine Management/RIKZ. Almost 300 references are cited in this report. All optical sensor and analyzer applications, found in this study, are evaluated according to RWS-criteria. These criteria have been set after considering the present measuring problems and the demands of RWS for the in situ detection of contaminants. The anaiytical applications and sensor developments of the foÜowtng optical detection techniques are reviewed: Absorption Spectroscopy CAS), Photoacoustic Spectroscopy (PAS), Thermal Lens Spectroscopy (TLS) Beam Deflection Spectroscopy (BDS), Photo-Pyroelectric Spectroscopy (PPE5), Fluorescence Spectroscopy (FL), detection by Chemiluminescence (CL) and Bioluminescence (BL), Refiectometry (REF), absorptive evanescent techniques like Internal Reflection Spectroscopy (IRS) and Total Internal Reflection Fluorescence (TIRF) and refractive evanescent techniques using interferometric or Surface Plasmon Resonance.(SPR) detection. Special attentiön is paid to the optical configuration of.néw optical sensor and analyzer applications, Üke the introduction of optical fibers into Fiber-Optie Chemical Sensors (FOCS) and the use of thin film planair waveguides in Ptanair-waveguide Opto-Chemical Sensors (POCS) and integrated optical sensors. Attentiön is also paid to the moiecular chemical selectors which are appüed in chemical sensors to improve the selectivity. The combination of an optical technique and a chemical selector is in this study considered as a optochemical detection principle or an optochemical sensor principle. After reviewing the potential optochemical sensor applications of these optical methods, the following conclusions could be made. The application of ionophores as moiecular chemical selectors in optical sensors is very promising for the detection of ions in surface waters. Using ionophores, which bind selectively and reversibly to ions, detection limits between 10 5 and 10 9 M are possible. Optical detection is possible using sensors based on absorption spectroscopy in which ionophores are combined with an optical indicator. In addition, PAS and PPES offer possibilities to be applied as detection techniques, but more research is to be done before afinal conclusion can be drawn. In order to detect pesticides and other toxic organic compounds, the application of antibodies as moiecular chemical selectors in immunochemical sensors, appears to be very promising. The detection range of immunosensors for pesticides is between 10 6 and 101J M. Optical detection is applied in fiber-optie fluoro-immunosensors, fiberoptie TIRF-immunosensors and automated ELISA-analyzers. Optical detection without using optical labels appears to be promising using interferometric or SPR immunosensors. Due to the wide applicability of ionophores and antibodies as moiecular chemical selectors, it might be very promising to develop an optical detection principle in which on!y the chemical selector will be different. Promising vibrational detection principles are Internal Reflection


Spectroscopy (IRS) and Surface Enhanced Raman Spectroscopy (SERS). These detection principles take advantage of the IR molecular fingerprints of organic compounds, while interference of !R absorption by water is prohibited. SERS is based on the surface enhancement of the Raman signal of adsorbed organic compounds. Micromolar detection limits are possible. Polymer coatings improving the selectivity without detoriation of the surface enhancement of the Raman signal, are being developed. IRS is based on the evanescent absorption by organic compounds penetrating in a polymer coating covering the waveguide. Micromolar detection limits are possible. Nevertheless, before in situ detection can be considered, it is necessary to improve the selectivity of the applied polymer coatings. This might be possible by immobilizing molecular chemical selectors in the polymer coating.


Inhoudsopgave

Voorwoord 3 Samenvatting 5 Summary 7 Inhoudsopgave 9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

Inleiding 11 Monitoring van de waterkwaliteit 11 Doel van deze studie 12 Uitvoering van deze studie 13 Opzet van dit rapport 14 Referenties 15

2 2.1 2.2 2.3 2.4

Chemische sensoren en criteria voor RWS toepassingen 17 Chemische sensor of analyzer: waar ligt de grens? 17 Moeilijke matrix 18 Criteria voor RWS toepassingen van chemische sensoren 19 Referenties 23

3 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5

Optische detectie 25 Spectroscopische technieken 25 Optische instrumentatie 29 Fiber optochemische sensoren 31 Planaire-lichtgeleider optochemische sensoren 34 Referenties 20

4 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6

Selectiviteit 37 Conventionele reagentia 37 Cyclische macromoleculen 39 E nzymatisch e selectiviteit 40 Immunochemische selectiviteit 41 Isolatie en preconcentratie 45 Referenties 49

5 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5

Absorptletechnieken 57 Absorptiespectroscopie 51 Fotoakoestische spectroscopie 58 Optothermische spectroscopie 61 Fotopyroelektrische spectroscopie 67 Referenties 71

6 6.1 6.2

Luminescentietechnieken 81 Fluorescentiespectroscopie 81 Chemi- en bioluminescentietechnieken 91

6.3

Referenties 97

7 7.1 7.2

Ramantechnieken 103 Ramanspectroscopie 703 Referenties 709


8 8.1 8.2 8.3 8.4

Reflectie- en evanescente technieken 773 Reflectometrie773 Absorptieve evanescente technieken 715 Refractieve evanescente technieken 118 Referenties 123

9 9.1 9.2 9.3 9.4

Optochemische sensorprincipes 729 Veelbelovende chemische selecteren voor optische technieken 729 Overige chemische selectoren 732 Veelbelovende vibrationele technieken 735 Overige optische detectieprincipes 736

10

Conclusies en aanbevelingen 141

Bijlage A Afkortingen 777 Bijlage B Antilichamen voor verontreinigingen 113

10


1 inleiding

1.1 Monitoring van de waterkwaliteit In Nederland is Rijkswaterstaat (RWS) verantwoordelijk voor de waterhuishouding van de rijkswateren, zoals de grote rivieren, sommige kanalen en de estuaria. Het huidige overheidsbeleid hiervoor is vastgelegd in de derde Nota Waterhuishouding [1.1]. Een belangrijk onderdeel van de waterhuishouding vormt het bewaken van de waterkwaliteit. Hierin hebben het Rijksinstituut voor Kust en Zee (RIKZ), (de voormalige Dienst Getij de wateren (DGW)), en het Rijksinstituut voor Integraal Zoetwaterbeheer en Afvalwaterbehandeling (RIZA) een belangrijke taak voor respectievelijk het zoute en het zoete water. Beide specialistische onderdelen van RWS voeren op geselecteerde lokaties routinematig metingen uit om een aantal fysische, chemische en biologische kenmerken (parameters) van het water te bepalen. De gegevens over de waterkwaliteit, die beide diensten jaarlijks gezamenlijk publiceren [1.2], vinden hun weg naar nationale beleidsnota's en internationaal overleg. Ze worden onder andere gebruikt voor het vaststellen van trendmatige ontwikkelingen in de waterkwaliteit, het opstellen van stoffen balansen en de toetsing aan beleidsdoelen wat betreft de waterkwaliteit (bijvoorbeeld in de derde Nota Waterhuishouding). Het gehalte aan verontreinigingen, zoals nutriënten, zware metalen, organische microverontreinigingen en pesticiden, bepaalt in aanzienlijke mate de waterkwaliteit. Het RIKZ en het RIZA bepalen daarom op meer dan 250 lokaties in Nederland het gehalte van een aantal verontreinigingen, waarvan in Tabel 1.1 een overzicht wordt gegeven [1,2]. Daarnaast worden op een zestal lokaties langs de grote rivieren bij de innamepunten van de drinkwaterbedrijven continu nog een aantal metalen, G' en een aantal organische verontreinigingen gemeten. De drinkwaterbedrijven worden gewaarschuwd als de kwaliteit van het rivierwater onvoldoende dreigt te worden om het als grondstof voor de bereiding van drinkwater te gebruiken. Het is de bedoeling om het aantal verontreinigingen in Tabel 1.1 uit te breiden met een selectie van de verontreinigingen die op grond van hun ecotoxicologische waarde op de zogenaamde monitoring-lijst (M-lijst) van de derde Nota Waterhuishouding (NW3) voorkomen. Een aantal verontreinigingen van deze M-lijst wordt daarom tegenwoordig incidenteel gedetecteerd [1.4].

11


Tabel 1.1

De monitoring van de verontreinigingen die RIZA en RIKZ uitvoeren en het aantal lokaties waar dit gebeurt [1.2],

aantal lokaties

type verontreiniging

250

nutriënten

94 54

zware metalen organisch

verbinding fosfaat, nitraat, nitriet, ammonium Cu, Zn, Ni, Cd, Pb, Cu, Hg pentachloorfenol, choline-esteraseremmers, halogeen koolwaterstoffen

De meeste metingen worden uitgevoerd door (manuele) monstername gevolgd door analyse in het laboratorium. RWS heeft zich nu als doel gesteld om de huidige arbeidsintensieve monstername- en analysemethoden, indien mogelijk, te vervangen door monitoringsystemen op locatie [1.3]. De voorkeur van RWS gaat hierbij uit naar zelfstandig werkende monitoring-systemen, waarmee verontreinigingen in-situ gedetecteerd kunnen worden. Monitoring-systemen die voldoen aan de criteria van RWS, zijn echter nauwelijks commercieel verkrijgbaar. Daarom is RWS zeer geïnteresseerd in nieuwe wetenschappelijke ontwikkelingen en technologische innovaties, zoals sensoren en 'stand-alone' toepassingen van bestaande detectietechnieken. In deze studie is gekeken of optische detectietechnieken als zelfstandig werkende in-situ monitoring-systemen toegepast kunnen worden bij het bepalen van de waterkwaliteit door RWS. Hoewei optische detectietechnieken al decennia standaard in het laboratorium worden toegepast voor de detectie van verontreinigingen in water, zijn ze tot nu toe nauwelijks gebruikt voor in-situ en standalone toepassingen op locatie. Twee wetenschappelijke ontwikkelingen dragen er aan bij dat dit wel mogelijk wordt. Het gaat enerzijds om ontwikkelingen op het gebied van de optische fibers en planaire lichtgeleiders en anderzijds om ontwikkelingen in de moleculaire technologie waardoor het steeds beter mogelijk wordt in het laboratorium verbindingen te ontwerpen, die op basis van moleculaire herkenning selectief een complex of binding vormen. De combinatie van deze twee ontwikkelingen biedt mogelijkheden om met optochemische sensoren in een moeilijke matrix als het oppervlaktewater of het estuariene water, waarin honderden opgeloste verbindingen voorkomen, selectief een verontreiniging of een groep verontreinigingen te detecteren. De afgelopen jaren is de ontwikkeling van optochemische sensoren voor de detectie van verontreinigingen in het zoete water erg snel gegaan en worden in verschillende landen prototypes getest. De ontwikkeling van optochemische sensoren voor zoutwatertoepassingen staat daarentegen nog in de kinderschoenen en ts nog beperkt tot sensoren voor de bepaling van chemische parameters als pH en opgeloste gassen als O2 en CO2 [1.5]. 1.2 Doel van deze studie

Het doel van deze studie is om nieuwe ontwikkelingen in optische analysetechnieken, waarmee selectieve en gevoelige detectie van opgeloste verontreinigingen mogelijk is, te inventariseren en te beoordelen voor mogelijke RWS-toepassingen aan de hand van criteria die in Hoofdstuk 2 worden gesteld. Daarbij gaat de voorkeur uit naar insitu chemische sensoren, maar ook stand-alone analyzers op basis van geautomatiseerde en eventueel geminiaturiseerde laboratoriumapparatuur komen in aanmerking. Daarnaast zijn een aantal nevendoelen voor deze studie vastgesteld; - kennisopbouw over optische analysetechnieken en optochemische sensoren. - het aanleggen van een gedigitaliseerd literatuurbestand met de

12


relevante literatuur. - het inventariseren van onderzoeksgroepen in West-Europa die onderzoek doen naar de optische detectie van verontreinigingen of werken aan de ontwikkeling van optochemische sensoren. Dit met het oog op het opzetten van (internationale) onderzoeksprojecten. Eerder zijn in opdracht van RWS twee literatuurstudies uitgevoerd naar de in-situ detectie van nutriënten [1.6] en van pesticiden en vluchtige organische microverontreinigingen [1.7]. Daarbij zijn groepen verontreinigingen als uitgangspunt genomen voor studies naar potentiële detectietechnieken. tn deze studie zijn optische detectietechnieken als uitgangspunt genomen voor een systematische studie naar de analytische mogelijkheden van deze technieken. Daardoor vormt deze studie voor RWS een verdiepende aanvulling op de eerder uitgevoerde studies. De keuze voor optische technieken als onderwerp voor deze studie is een afbakening en zegt niets over de mogelijkheden van andere technieken of de voorkeur van RWS voor een bepaald type chemische sensor. Momenteel voert RWS in de Maas een experiment uit met prototype ISFET-sensoren voor de detectie van verschillende ionen [1.8]. Deze ISFET-sensoren werken volgens een elektrochemisch meetprincipe. 1.3 Uitvoering van deze studie afbakening van het onderzoeksgebied

Bij de uitvoering van deze literatuurstudie is allereerst een afbakening gemaakt binnen de optische detectietechnieken. Airborne en spaceborne optische detectiesystemen vallen buiten deze studie evenals atomaire absorptiespectroscopie (AAS) en atomaire emissiespectroscopie
De literatuur voor deze studie is deels verzameld via een aantal zoekacties in het elektronische literatuurbestand CHEMICAL ABSTRACTS. Daarnaast is literatuur verzameld met de zogenaamde sneeuwbalmethode via het lezen van overzichtsartikelen over optische analysetechnieken en optische sensoren. Vanaf het begin tot het eind van 1993 is bovendien de recente literatuur via het elektronische literatuurbestand CURRENT CONTENTS bijgehouden. Het resultaat is dat het RIKZ nu beschikt over een (gedigitaliseerd) literatuurbestand met ruim 800 artikelen. Bijna 300 artikelen worden geciteerd in dit rapport. Een bijzondere plaats in de verwijzingen nemen de artikelen op de A-pagina's van het tijdschrift Analytical Chemistry in. Deze artikelen bevatten in het algemeen zeer duidelijke en goed leesbare inleidingen over de werking en analytische toepassingen van nieuwe technieken of gaan in op nieuwe ontwikkelingen in bestaande

13


optische analysetechnieken. 1.4 Opzet van dit rapport Dit rapport valt uiteen in drie delen. De eerste vier hoofdstukken vormen het eerste deel en zijn inleidend van karakter. Na de inleiding in Hoofdstuk 1 over doel en opzet van de studie komt in Hoofdstuk 2 de mestproblematiek van RIKZ en RIZA in het zoute en zoete water aan bod naast de criteria waaraan sensoren moeten voldoen voor RWS toepassingen. Hoofdstuk 3 geeft een beknopt overzicht van de verschillende optische technieken waarmee gevoelige detectie van opgeloste verbindingen mogelijk is en gaat bovendien in op nieuwe ontwikkelingen in de optica die in optische sensoren toegepast worden, zoals optische fibers en ptanaire lichtgeleiders. Hoofdstuk 4 gaat over de selectiviteit waarmee sommige verbindingen een complex of binding vormen met andere verbindingen. Deze selectief reagerende verbindingen vormen het hart van veel nieuwe chemische sensoren en zijn onmisbaar voor de detectie van verontreinigingen in het oppervlaktewater. Het tweede deel bestaat uit Hoofdstuk 5-8. In deze hoofdstukken worden bestaande analytische toepassingen en sensorontwikkelingen per optische techniek geïnventariseerd en beoordeeld op hun potentie voor RWS-toepassingen. Elk hoofdstuk heeft een optisch fenomeen als kapstok waarbij verwante technieken per paragraaf gegroepeerd zijn. Hoofdstuk 5 gaat over directe en indirecte absorptletechnieken. In Hoofdstuk 6 gaat het om technieken die gebaseerd zijn op de detectie van luminescentie. Hoofdstuk 7 gaat in op Ramantechnieken en in Hoofdstuk 8 komen naast reflectometrische technieken ook de evanescente technieken aan bod. De paragrafen in het tweede deel hebben een vaste opbouw met kopjes, die niet in de inhoudsopgave vermeld staan. Eerst wordt het principe van een optische techniek beschreven waarna subparagrafen over analytische toepassingen en sensorontwikkelingen volgen. Het laatste deel bevat de onderzoeksgroepen, waarin Europese onderzoeksgroepen worden vermeld, die zich bezig houden met voor RWS relevante analytische toepassingen van een optische techniek of werken aan de ontwikkeling van in-situ chemische sensoren. Het laatste deel bestaat uit Hoofdstuk 9 en Hoofdstuk 10. In Hoofdstuk 9 worden de geïnventariseerde chemische selecteren en optische detectietechnieken onderling vergeleken. Veelbelovende optische technieken en optochemische sensoren worden samengevat. Bovendien worden verbanden gelegd tussen een aantal veelbelovende sensorontwikkelingen uit verschillende hoofdstukken waarbij dezelfde of vergelijkbare chemische selecteren toegepast worden. Hoofdstuk 10 bevat de conclusies en aanbevelingen. Hoofdstuk 9 en Hoofdstuk 10 kunnen op zichzelf gelezen worden zonder de voorafgaande hoofdstukken te lezen.

14


1.5 Referenties

[1.1]

1989, Derde Nota Waterhuishouding, Ministerie van Verkeer en Waterstaat, Den Haag

[1.2]

1991, Jaarboek Monitoring Rijkswateren, DGW Den Haag en RIZA Lelystad

[1.3]

Van Oort, R.C.; Mulder, W.H.; Ebben, M.; Hofstraat, J.W.; 1992, Report GWIO92-051, Tidal Water Division, Ministry of Transport, Public Works and Water Management, The Hague, Development of continuous or semi-continuous measurement systems for water quality parameters

[1.4]

van Steenwijk, J.M.; Lourens, J.M.; van Meerendonk, J.H.; Phernambucq, A.J.W.; Barreveld, H.L.; 1992, NOTA 92-057 RIZA en Rapport DGW 92-040, RIZA en DGW, Speuren naar sporen I: verkennend onderzoek naar milieuschadelijke stoffen in de zoete en zoute watersystemen van Nederland

[1.5]

Tokar, J.M.; Pugh, W.L.; G. Wswami, K.; 1990, in: "Geotechn. Eng. of ocean waste disposal", ASTM STP 1087 {eds. K.R. Demars and R.C. Chaney), Am. Soc. for Testing and Materials, Philadelphia, pp. 65-75, The use of fiber optie sensors for in-situ chemical measurements in the ocean

[1.6]

Van Veen, J.J.F.; 1991, TNO-rapport R91/047A, Nutriëntendetectie

[1.7]

Van Veen, J.J.F.; 1992, TNO-report IMW-R92/170, In-situ detection principles for pesticides and volatile organic compounds in water

[1.8]

van Oort, R.C.; 1994, Rapport RIKZ (in prep.), ISFET-rapportage

15


16


2 Chemische sensoren en criteria voor RWS toepassingen

Terwijl bij analyses in het laboratorium gewerkt kan worden onder geoptimaliseerde omstandigheden, is bij de toepassing van in-situ chemische sensoren en stand-alone analyzers voor de detectie van verontreinigingen in het zoete of zoute water geen sprake van optimale omstandigheden. In de matrix komen honderden verbindingen in lage concentraties voor en chemische en fysische parameters variëren continu. Zowel de aanwezige verbindingen als veranderende fysische en chemische parameters kunnen in bepalingen interfereren. Daardoor is de in-situ detectie van verontreinigingen in het Nederlandse water moeilijk en moeten sensoren en analyzers aan strenge criteria voldoen voordat ze door RWS toegepast kunnen worden. In §2.1 wordt inhoud gegeven aan de term chemische sensor en komt de grens tussen chemische sensor en analyzeraan bod. §2.2 beschrijft de omstandigheden bij in-situ detectie van verontreinigingen in het zoete en zoute water, in §2.3 wordt de meetp'roblematiek.verder uitgewerkt aarvde hand van een aantal criteria waaraan in-situ chemische sensoren moeten voldoen voor RWS-toepassingen. 2.1 Chemische sensor of analyzer: waar ligt de grens?

Deze studie omvat een onderzoek naar nieuwe optochemische sensoren en analyzers voor de detectie van verontreinigingen. Maar wat is een chemische sensor en wat is het verschil met een analyzer? De term chemische sensor wordt vaak gebruikt, hoewel het van de toepassing en de meetomstandigheden afhangt of dat terecht is. Hier volgt eerst een omschrijving van het begrip chemische sensor die in dit'onderzoek gehanteerd is: een chemische sensor is een meetinstrument dat selectief, reversibel, en continu de concentratie van een verbinding en veranderingen in de concentratie weergeeft. In de meeste gevallen bevat een chemische sensor een chemische selector met een verbinding die op basis van moleculaire herkenning via een reversibele (evenwichts)reactie selectief een complex of een binding vormt met een andere (chemische) verbinding. Het is ook mogelijk dat in de selectorlaag een enzymreactie plaatsvindt, waarvan het reactieprodukt gedetecteerd wordt. De chemische veranderingen in de selector (die gerelateerd zijn aan concentratieveranderingen) moeten omgezet worden in een meetbaar signaal. In optochemische sensoren gebeurt dat door veranderingen in lichtbundels te detecteren met een detector die het optische signaal omzet in een elektrisch signaal (zie Figuur 2.1 A). In een analyzer, een geautomatiseerd en soms geminiaturiseerd laboratoriumapparaat, is een extra voorbewerking nodig. Na deze stap, die als geautomatiseerde monsterbereiding beschouwd kan worden en waarin bijvoorbeeld irreversibele reacties plaatsvinden, kan detectie plaatsvinden (zie Figuur 2.1 B). Omdat de detectie na een voorbewerkingsstap plaatsvindt, zijn stand-alone analyzers geen in-situ instrumenten en is de omschrijving in-loco beter. Toch is de grens tussen een in-situ chemische sensor en een analyzer niet zo scherp als het hier lijkt [2.1]. Het is bijvoorbeeld mogelijk dat een ion-sensor pH-afhankelijk is. Door deze sensor in te bouwen in een analyzer waarin elk monster

17


gebufferd wordt is het toch mogelijk om deze sensor in het oppervlaktewater toe te passen. Naast chemische sensoren en analyzers worden ook de termen probe en veldinstrument gebruikt. Bij een probe wordt een irreversibele chemische selector toegepast waardoor de probe slechts eenmalig gebruikt kan worden. Een veldinstrument kan zowel een sensor als een analyzer zijn, maar heeft als extra eigenschap dat het instrument draagbaar is en gebruikt kan worden voor Incidentele metingen op verschillende lokaties. Daardoor zijn de eisen die gesteld worden aan onderhoud, gebruik van chemicaliën en calibratie minder streng dan bij in-situ chemische sensoren en in-loco analyzers.

Figuur 2.1 In-situ sensor die direct in het water meet (A) en een in-loco analyzer waarbij een voorbewerking van het genomen monster plaatsvindt voordat de bepaling uitgevoerd wordt (B),

signaal

signaal

voorbewerking

j—J

detector

pomp afval transducer 53

selector

(B) analyzer

(A)sensor

2.2 Moeilijke matrix Bij de in-situ detectie van verbindingen in het zoete of zoute water komen een aantal specifieke problemen om de hoek kijken. In deze paragraaf komt de meetproblematiek aan bod, waardoor duidelijk wordt dat het zoete en zoute water moeilijke matrices zijn. veel verbindingen in lage concentraties Het zoete en zoute oppervlaktewater bevat honderden opgeloste verbindingen, waarvan de meeste in zeer lage concentraties voorkomen. Vaak zijn de concentraties zo laag dat verbindingen niet detecteerbaar zijn. Door het grote aantal verbindingen is de kans op interferentie groot en worden strenge eisen gesteld aan de selectiviteit van een techniek. zwevend stof Veel organische verbindingen en zware metalen zijn niet volledig opgelost. Een deel is geadsorbeerd aan het zwevend stof in het water. In de grote rivieren van Nederland kan een verontreiniging voor een aanzienlijk deel {tientallen procenten) geadsorbeerd aan zwevend stof naar de estuaria getransporteerd worden [2.2], waar het zwevend stof onder invloed van het zoute water naar de bodem zakt. Met de meeste detectietechnieken wordt de hoeveelheid verontreiniging bepaald die opgelost is in de waterkolom. Daardoor zal het deel dat geadsorbeerd is aan het zwevende stof niet gedetecteerd worden met deze technieken. Het is weliswaar mogelijk om geadsorbeerde verbindingen te desorberen in het laboratorium, maar bij in-situ detectie zijn deze technieken niet of moeilijk toepasbaar.

18


saliniteit zeewater

In zeewater vormen de opgeloste ionen een probleem bij de in-situ detectie van verontreinigingen. Na+ en Cl* komen in molaire concentraties voor en Mg5*, SO42-, Ca2+, K* en HCO3' komen op millimolair niveau voor. Deze zeven ionen bepalen voor meer dan 99% de saliniteit en de ionsterkte. De hoge ionsterkte is van aanzienlijke invloed op chemische reacties en chemische evenwichten, terwijl deze ionen ook specifiek met een chemische selector kunnen reageren [2.3]. Hiermee moet rekening gehouden worden bij de toepassing van in-situ sensoren met een chemische selector. Een chemische selector vormt in het ideale geval namelijk een binding met een verontreiniging via een evenwichtsreactie. De ionen die in hoge concentraties aanwezig zijn kunnen dat evenwicht beïnvloeden en zelfs ionen verdringen uit het evenwicht met de chemische selector. variërende fysische parameters

Ook fysische parameters, zoals het gehalte aan zwevende stof en de temperatuur, kunnen van invloed zijn op een bepaling als ze veranderen. Als de temperatuur lager wordt, verlopen reacties langzamer. Daardoor zal het evenwicht tussen chemische selector en verontreiniging zich langzamer instellen. Het gevolg is dat de responstijd van een sensor toeneemt. Door turbulenties in het water kan de hoeveelheid zwevend stof toenemen waardoor verontreinigingen die geadsorbeerd zijn op het zwevend stof, kunnen oplossen in het water. variërende chemische parameters

Ook variatie van chemische parameters kan de in-situ detectie van verontreinigingen benvloeden en de betrouwbaarheid van de bepaling verkleinen. Dit is bijvoorbeeld het geval in de estuaria waar onder invloed van de getijdebeweging het water beurtelings zoet en zout wordt. De veranderende saliniteit is van invloed op de complexvormende reacties van een chemische selector in een sensor. Op een vergelijkbare wijze kan ook een variërende pH de bepalingen beïnvloeden. 2.3 Criteria voor RWS toepassingen van chemische sensoren

Niet elke chemische sensor is bruikbaar voor de detectie van lage concentraties verontreinigingen in het oppervlakte- of zeewater. Daarom zijn in deze studie de volgende criteria gebruikt om analytische toepassingen van optische technieken en in de literatuur beschreven optochemische sensoren te beoordelen voor de detectie van verontreinigingen: - detectielimiet en dynamisch bereik - selectiviteit en kruisreactiviteit - matrixeffecten - reversibiliteit/regenereerbaarheid - 'stand-alone' karakter detectielimiet en dynamisch bereik

Als detectielimieten voor in-situ detectie zijn in eerste instantie de streefwaarden gebruikt uit de Derde Nota Waterhuishouding (NW3) [2.3], Omdat tn de meeste gevallen de betrouwbaarheid van een detectietechniek dicht bij de detectielimiet afneemt, is het zelfs beter om de detectielimiet een factor 10 te verlagen ten opzichte van de streefwaarden uit de NW3. Tabel 2.1 bevat een aantal streefwaarden uit de NW3 voor nutriënten en verschillende groepen organische microverontreinigingen in het zoete en zoute water. De streefwaarden voor verontreinigingen in het zoute

19


water liggen zo'n factor 10 lager dan voor het zoete water. De maximaal te detecteren concentraties voor nutriënten en de groepen organische microverontreinigingen zijn door RWS vastgesteld [2.5, 2.6]. Tabel 2.2 bevat de streefwaarden uit de NW3 voor verschillende metaalionen in het zoete oppervlaktewater. Als maximaal detecteerbare concentraties zijn hier de concentraties voor zware metalen genomen, waarbij de drinkwaterbedrijven gewaarschuwd worden dat het water dat ze innemen verhoogde gehaltes metalen bevat. Bij gebrek aan molaire concentraties bevat Tabel 2.1 gehaltes in ppb (parts-par-billion). Parts-par-billion (ppb) en parts-par-million (ppm) geven in dit rapport de relatieve massa aan, waarbij 1 ppb van een verontreiniging betekent dat 1 gram water 1 ng verontreiniging bevat. Omdat 1000 gram water ongeveer overeenkomt met 1 liter wordt 1 ppb ook weergegeven als 1ug/L Naast ppb en ppm wordt ook ppbv en ppmv gebruikt voor de detectie van gassen en dampen, waarbij de concentratie weergegeven wordt in relatieve volume-eenheden. Dan betekent 1 ppbv ammoniak dat er in 1 L lucht 109 L ammoniak zit. In deze studie worden echter zo veel mogelijk molaire concentraties gebruikt omdat gehaltes van verontreinigingen dan beter vergeleken kunnen worden. Om een voorbeeld te geven: 1 ppb NH4+, dat een molmassa van 18 heeft, staat voor een concentratie die ongeveer een factor 20 groter is dan 1 ppb van het pesticide dinoseb, dat een molmassa van ongeveer 360 heeft.

Tabel 2.1 Detectielimieten en maximaal detecteerbare concentraties voor nutriënten en verschillende groepen organische microverontreinigingen (ppb) voor het zoute en zoete water. Detectielimieten zijn afgeleid van de streefwaardes uit de Derde Nota Waterhuishouding (NW3) en de maximaal detecteerbare concentraties zijn vastgesteld door RWS. (type) verbinding

zout water

zoet water

fosfaat nitraat vluchtige halogeenkoolwaterstoffen halogeenkoolwaterstoffen chloorbenzenen halogeenpesticiden organofosfaten chol ine-esteraserem mers carbamaten organottn-verbindingen

NW3

maximum

NW3

(ppb) 20 220 0,5

(ppb) 300 40000 10

(ppb) 16 132 0,05

0,15

300 40000 10

0,03 0,001

0,6

0,05 0,003

0,02

0,0001

0,6 0,02

0,015 0,05

0,3 1

0,005

0,3

0,005

1

0,05

0,02 0,02

0,005 0,0001

0,02

0,001

10

maximum (ppb)

10

0,02

selectiviteit en kruisreactiviteit

Door de vele honderden opgeloste verbindingen die in het oppervlaktewater voorkomen is de selectiviteit van een in-situ detectietechniek zeer belangrijk. Onvoldoende selectiviteit kan leiden tot interferentie door andere opgeloste verbindingen. Om de mate waarin een chemische sensor ook met andere verbindingen reageert, te kwantificeren, wordt de term kruisreactiviteit of overspraak gebruikt. Bij sensoren voor metaalionen worden soms selectivlteitscoëfficiënten ten opzichte van andere metaalionen gegeven. Ais een chemische selector in een sensor een grote kruisreactiviteit bezit voor verwante verbindingen, is zo'n sensor soms bruikbaar voor de detectie van een groep verbindingen.

20


Tabel 2.2 Detectielimieten en maximaal detecteerbare concentraties voor een aantal metaalionen in het zoete oppervlaktewater. Detectielimieten zijn gebaseerd op streefwaardes uit de Derde Nota Waterhuishouding (NW3) De maximaal detecteerbare concentraties zijn afgeleid van de norm die de drinkwaterbedrijven hanteren (DWB). metaalion

NW3 (ppb)

DWB

metaalion

(ppb)

Cd

0,2

1,5

Cr

Hg Cu Ni

0,03 3

0,5

Ar

Pb Zn

10 25 30

50

Se

50 30

Va

200

Sb

Be

NW3

DWB

(ppb)

(ppb)

25

50 10 5 0,5 20 10

matrixeffecten

Ook de matrix kan van invloed zijn op de bepaling. Een voorbeeld is de absorptie van water in het infrarood (IR). Door de aanzienlijke achtergrondabsorptie is geen gevoelige detectie mogelijk van organische verbindingen die in het IR sterk absorberen. Ook de invloed van de hoge concentraties ionen in het zeewater op bijvoorbeeld evenwichtsreacties in de chemische selectorlaag is een voorbeeld van een matrixeffect. Daarnaast kan variatie in andere chemische en fysische parameters van invloed zijn. Een aantal voorbeelden is in §2.2 genoemd. reversibiliteit/regeneratie De reversibiliteit van de chemische selector in een sensor is belangrijk bij continue monitoring van een verontreiniging. Veel toegepaste chemische selectoren reageren bijvoorbeeld niet reversibel met de verontreiniging maar kunnen we! geregenereerd worden door ze af te spoelen met geschikte vloeistoffen. In andere toepassingen is regeneratie mogelijk door de temperatuur of de pH sprongsgewijs te veranderen. Toepassing van regenereerbare selectoren in analyzers is mogelijk, hoewel vaak onterecht de term chemische sensor gebruikt wordt. In sommige gevallen kan het aantrekkelijk zijn om een regenereerbare selector, die via een irreversibele reactie een complex of binding vormt met een verontreiniging, toe te passen. Hierdoor is in feite in-situ preconcentratie mogelijk, waardoor lagere detectielimieten gehaald kunnen worden. De responstijd neemt echter sterk toe. 'stand-aione' karakter

Voor dit criterium wordt gekeken naar de periode waarin de in-situ sensor of 'stand-alone' analyzer zelfstandig kan functioneren. Voor RWS-toepassingen zou dit een periode van 2 è 4 weken moeten zijn. Uiteindelijk is aan dit criterium weinig aandacht besteed in de studie omdat er nauwelijks literatuur is gevonden over langdurige metingen met prototypen van optochemische sensoren of analyzers. De nadruk ligt in de literatuur op laboratoriumexperimenten. Daarom is aandacht besteed aan gegevens als het aantal mogelijke bepalingen, de levensduur in een experiment en de stabiliteit bij bewaring.

21


22


2.4 Referenties

[2.1]

Valcarcel, M.; Luque de Castro, M.D.; 1993, Analyst 118 (6), pp. 593-600, Flow-through (bio)chemical sensors

[2.2]

Wulffraat, K.J.; Smit, Th.; Groskamp, H.; de Vries, A.; 1993, Rapport DGW-93.037, De belasting van de Noordzee met verontreinigende stoffen 1980-1990

[2.3]

Johnson, K.S.; Coale, K.; Jannasch, H.W.; 1992, Anal. Chem. 64 (22), pp. 1065A-1075A, Analytical chemistry in oceanography

[2.4]

1989, Derde Nota Waterhuishouding, Ministerie van Verkeer en Waterstaat, Den Haag

[2.5]

Van Veen, J.J.F.; 1992, TNO-report IMW-R92/170, In situ detection princïples for pesticides and volatile organic compounds in w.ater

[2.6]

Van Veen, J.J.F.; 1991, TNO-rapport R91/047A, Nutrientendetectie

23


24


3 Optische detectie

Optische detectie van chemische verbindingen is gebaseerd op de interactie van elektromagnetische (EM) straling met deze verbindingen. in dit hoofdstuk wordt aandacht besteed aan verschillende optische technieken waarmee detectie van stoffen op ppm- of ppb-niveau mogelijk is. In §3.1 en in §3.2 wordt ingegaan op een aantal ontwikkelingen in de instrumentele kant van deze technieken, waardoor de gevoeligheid is toegenomen. Nieuwe ontwikkelingen in optische detectie, zoals de introductie van optische fibers en de toepassing van planaire lichtgeleiders in optische sensoren, komen aan bod in §3.3 en §3.4. 3.1 Spectroscopische technieken

De meeste optochemische sensoren zijn toepassingen van bekende spectroscopische technieken, die aangepast zijn aan criteria voor chemische sensoren zoals die bijvoorbeeld in Hoofdstuk 2 voor de detectie van verontreinigingen in het oppervlaktewater gesteld worden. De spectroscopische technieken waarmee stoffen kwantitatief in oplossingen gedetecteerd kunnen worden, zijn gebaseerd op de interactie van licht (EM straling) met materie. Deze interactie kan leiden tot optische processen als absorptie, luminescentie, reflectie, refractie en verstrooiing. Aan de technieken die op deze optische processen zijn gebaseerd, wordt in deze paragraaf aandacht besteed. De relevante analytische toepassingen en de optische sensoren "die op deze technieken zijn gebaseerd, staan in Hoofdstuk 5-8.

Figuur 3.1 Het gebied van het EM spectrum waarin elektronische excitatie, vibratieovergangen en rotatieovergangen vallen.

microgolven

3 x 1010

infrarood

3 X 1012

zichtbaar UV

3x1014 i

3x1016 Hz

i

frequentie

absorptiespectroscopie Absorptie van optische energie induceert overgangen in moleculen en atomen. Een overgang naar een aangeslagen toestand vindt alleen plaats als het energieverschi! tussen twee toestanden overeenkomt met de energie van een invallende lichtquantum. Dit betekent dat de absorptie van een molecuul afhankelijk van de golflengte is (zie Figuur 3.1). Absorptie van zichtbaar licht (450-800 nm) en ultraviolet (UV) licht (<450 nm) induceert de excitatie van elektronische toestanden. Infrarood (IR) licht (2,5-15 urn) en nabij

25


infrarood (NIR) licht 800-2500 nm induceert vibratieovergangen. Microgolven (>15um) exciteren rotatieniveaus. De absorptie kan bepaald worden door de lichtintensiteit voor en na het monster te meten. De absorptie door een verbinding in een transparant oplosmiddel wordt gegeven door de wet van Lambert-Beer: /o

A x = L o g - =£xLc 'tr

waarbij £jde molaire extinctiecoëfficiënt is bij een bepaalde golflengte, L de lengte van de lichtweg en c de concentratie van de absorberende verbinding. I o is de intensiteit van de invallende lichtbundel en I^r is de intensiteit van de lichtbundel achter het monster. Een aangeslagen toestand die ontstaat na de absorptie van optische energie, heeft slechts een beperkte levensduur. Relaxatie terug naar de (grond)toestand die een lagere energie heeft, kan op verschillende manieren (zie Figuur 3.2). Naast emissie van licht kan botsings- of thermisch verval optreden. In het laatste geval wordt warmte geproduceerd die met verschillende calorimetrische technieken gedetecteerd kan worden. Met deze calorimetrische technieken wordt dus indirect de absorptie bepaald.

Figuur 3.2 Schematische weergave van de absorptie van optische energie door opgeloste moleculen en de mogelijke relaxatiekanalen, via luminescentie, fotoreacties, energieoverdracht en warmteontwikkeling.waarbij fotothermische effecten kunnen ontstaan.

T fotothermische effecten

vertraagde verhitting fotoakoestische spectroscopie thermische lensspectroscople fotopyroelectrische spectroscopie

Als de geabsorbeerde lichtenergie vrijkomt als thermische energie door relaxatie uit aangeslagen toestanden dan leidt dit tot een (lokale) temperatuurverhoging die met fotopyroelektrische spectroscopie (PPES) bepaald kan worden (zie §5.4). Door de lokale verhitting zet de vloeistof (lokaal) uit waardoor ook de brekingsindex verandert. Het deel van de vloeistof waar dit plaatsvindt, gaat zich als een optisch element gedragen dat lichtbundels kan defocuseren en afbuigen (zie §5.3). Dit vormt de basis van thermische lens spectroscopie (TLS) en bundeldeflectiespectroscopie (BDS). Met fotoakoestische spectroscopie (PAS) is het mogelijk om de drukverhoging die het gevolg is van de toename van de thermische energie, te detecteren (zie §5.2).

26


[uminescentiespectroscopie Luminescentie is de verzamelnaam voor een aantal processen, waarbij tijdens relaxatie naar een lager gelegen toestand, meestal de grondtoestand, licht uitgezonden wordt. Als dit gebeurt na de absorptie van EM straling, dan kan fluorescentie en fosforescentie optreden. Een belangrijke eigenschap van fluorescentie en fosforescentie is dat de emissie altijd verschuift naar langere golflengtes ten opzichte van de absorptie (zie Figuur 3.3). Fluorescentie onderscheidt zich van fosforescentie doordat het een veel sneller proces is en doordat de waarschijnlijkheid en de emissie-intensiteit in het algemeen groter is. De fluorescentielevensduur ligt in de orde van nanoseconden, terwijl de fosforescentielevendsduur in het algemeen groter is dan 1 usec en zelfs enkele milliseconden kan bedragen. De intensiteit van fluorescentie en fosforescentie is afhankelijk van de concentratie, waardoor fluorescentiebepalingen en fosforescentiebepalingen geschikt zijn voor analytische toepassingen (zie §6.1).

Figuur 3,3 Het emissiespectrum verschuift naar langere golflengtes ten opzichte van het absorptiespectrum.

absorptie

I

fluorescentie

energie

golflengte

Sommige verbindingen kunnen de fluorescentie van een andere verbinding "quenchen" (verzwakken) of zelfs uitdoven. Door de aanwezigheid van zo'n verbinding gaat het botsingsverva! concurreren met relaxatie door emissie. De quenching van een fluorescerende verbinding kan gerelateerd worden aan de concentratie van de quencher (zie §6.1). Bij sommige chemische reacties, vooral bij oxydatiereacties, wordt ook licht uitgezonden. Dit fenomeen heet, afhankelijk van het systeem dat de straling uitzendt, chemiluminescentie (CL) of bioluminescentte (BL). CL en BL kunnen optreden als in een reactie een geëxciteerde verbinding ontstaat. Net als bij fluorescentie, wordt het emissielicht uitgezonden tijdens de relaxatie naar de grondtoestand. De intensiteit van CL en BL is afhankelijk van de concentratie geëxciteerde moleculen en levert, naast informatie over de reactiesnelheid, ook gegevens op waaruit de concentratie van de reagerende verbindingen bepaald kan worden (zie §6,2). reflectometrie

Als licht op een medium valt dat optisch minder dicht is (dat betekent dat de brekingsindex kleiner is) dan kan, afhankelijk van de invalshoek van de lichtbundel, reflectie (spiegeling) en refractie (breking) optreden. Als de invalshoek kleiner is dan de grenshoek dan zal refractie optreden. Dat betekent dat de bundei zich voortplant in het tweede medium (zie Figuur 3.4A). Is de invalshoek echter groter dan de grenshoek dan zal de invallende lichtbundel gereflecteerd worden met een hoek die gelijk is aan de invalshoek. Dit verschijnsel heet totale interne reflectie (TIR). Dit vormt de basis voor de voortplanting van licht in optische fibers en ptanaire lichtgeleiders met diameters die veel groter zijn dan de

27


golflengte (zie §3.3 en §3.4). Als TIR optreedt, interfereert de gereflecteerde bundel met de invallende bundel bij het grensvlak. Daardoor ontstaat een lokale staande EM golf (zie Figuur 3.4B). Een deel van deze golf penetreert in het tweede (optisch dunnere) medium, waarvan de brekingsindex kleiner is en waarin de energie van de staande golf exponentieel afneemt (zie Figuur 3.4C). Deze lokale staande EM golf heet het evanescente veld en kan net als elke EM golf geabsorbeerd worden. Spectroscopische technieken als IRS en T1RF zijn hierop gebaseerd. Ook bij optochemische sensoren met optische fibers en planaire tichtgeleiders kan van deze eigenschap gebruik gemaakt worden (zie §3.3, §3.4, §8.2 §8.3). IRS staat voor Interne Reflectie Spectroscopie, waarbij de evanescente absorptie bepaald wordt, en TIRF staat voor Total Interna! Reflection Fluorescence, waarbij de geabsorbeerde evanescente energie vrijkomt als fluorescentie.

Figuur 3.4 Reflectie en refractie van licht bij het grensvlak van media met verschillende brekingsindices (A); het evanescente veld dat ontstaat bij reflectie door interferentie van invallend en gereflecteerd licht (B); de staande evanescente golf staat loodrecht op het grensvlak en neemt exponentieel af In het reflecterende medium (C).

V "2

(B)

. . . .

stalde golf. . . .

Als reflectie optreedt bij gladde, spiegelende oppervlakken, is de hoek van de invallende bundel gelijk aan de hoek waarmee de gereflecteerde bundel verder gaat. Bij ruwe en korrelige oppervlakken treedt deze vorm van reflectie niet op. Dan treedt diffuse reflectie op (zie Figuur 3.5). Bij diffuse reflectie treedt in eerste instantie refractie op, (hoewel een klein deel ook gereflecteerd kan worden). Het licht komt terug aan het grensvlak doordat het in de grenslaag verstrooid wordt. Tijdens de verstrooiing kan absorptie in de grenslaag optreden. Door nu de intensiteit van het diffuse licht dat terugkomt aan het grensvlak te detecteren kan het reflectiesignaal gemeten worden (zie §8.1). Het diffuse reflectiesignaal is afhankelijk van de samenstelling van het reflecterende medium. In analogie met de wet van Lambert-Beer voor absorptie is er een verband tussen het reflectiesignaal en de concentratie

28


van de absorberende verbinding. Bovenstaande benadering voor diffuse reflectie geldt alleen als de verstrooiing plaatsvindt in de grenslaag en niet als een reagenslaag is aangebracht op een reflecterend oppervlak. Dan treedt absorptie in de reagenslaag op, voordat reflectie optreedt bij het spiegelende oppervlak.

Figuur 3.5 Diffuse reflectie van licht op een oppervlak.

invallende bundel

spiegelende component diffuse 'component

water medium

Ramanspectroscople Ramanspectroscopie is een optische techniek die gebaseerd is op de inelastische verstrooiing van licht. Deze inelastische verstrooiing kan quantummechanisch eenvoudig verklaard worden. Als een foton tijdens een botsing energie uitwisselt met het molecuul dan wordt het foton verstrooid met een veranderde energie. Door de verandering in energie van het foton verandert ook de golflengte. Ramahverstrooiing is het licht waarvan de golflengte verandert tijdens de botsing. Bij verstrooiing van licht vormt Ramanverstrooiing slechts een klein deel van het verstrooide licht. Het grootste deel van de botsingen tussen fotonen en moleculen gebeurt namelijk elastisch zonder dat energie wordt uitgewisseld. Deze elastische verstrooiing waarbij de botsingen de golflengte van het invallende licht niet verandert heet Raleighverstrooiing. Bij Ramanverstrooiing waarbij energieoverdracht plaats vindt, kunnen vibratie- of rotatietoestanden geëxciteerd worden. Daarom is Ramanspectroscopie net als IR-absorptiespectroscopie éen vibrationele techniek, die informatie oplevert over de moleculaire fingerprint van organische moleculen. Raman en IR-spectroscopie leveren echter niet dezelfde informatie over dezelfde vibratietoestanden, maar zijn complementaire technieken. Organische moleculen met bindingen die sterk polariseerbaarzijn, zoals dubbele of driedubbele bindingen zijn meestal sterk Ramanactief terwijl ze nauwelijks in het IR absorberen. Andersom geldt dat organische verbindingen die sterk in het IR absorberen, bijvoorbeeld water, nauwelijks Ramanactief zijn. De intensiteit van het Ramansignaal is gewoonlijk te klein om organische verbindingen in lage concentraties te kunnen detecteren. Dat is wel mogelijk door gebruik te maken van resonantieverking of oppervlakteversterking van het Ramansignaal. (zie §7.1). 3.2 Optische instrumentatie in de vorige paragraaf zijn een aantal spectroscopische en andere optische technieken beschreven, waarmee de detectie van stoffen in oplossing mogelijk is. Deze paragraaf gaat over de progressie in instrumentatie, met name de lichtbronnen en detectoren, waardoor de gevoeligheid van optische detectie om opgeloste stoffen te detecteren aanzienlijk vergroot is. Ook wordt aandacht besteed aan de miniaturisering van apparatuur waardoor het eenvoudiger is om met meetapparatuur op locatie te werken of deze in stand-alone anatyzers of optische sensoren toe te passen. Deze paragraaf gaat niet over

29


ontwikkelingen die optische detectie selectiever maken. Dat is het onderwerp van Hoofdstuk 4. lichtbronnen lasers

Een belangrijke ontwikkeling is de uitvinding van de laser. Het licht van lasers is coherent en daardoor monochromatisch. Het vermogen varieert van enkele milliwatts tot meer dan 10 Watt voor continue lasers. Bij gepulste lasers kan het vermogen tijdens de korte pulsduur oplopen tot enkele tientallen Megawatts. Daarmee is het in principe mogelijk om onder ideale omstandigheden enkele tienduizenden moleculen te detecteren met laser geïnduceerde fluorescentie (LIF). Technieken als bundeldeflectiespectroscopie (BDS) en thermische lensspectrsocopie (TLS) zijn gebaseerd op het Gausisch intensiteitsprofiel van de laserbundel en zijn daardoor gevoeliger dan absorptiespectroscopie. De gevoeligheid van technieken als fotoakoestische spectroscopie en Ramanspectroscopie is sterk toegenomen door het gebruik van lasers met een hoog vermogen. Een nadeel is dat de meeste lasers slechts op enkele frequenties emissie vertonen, waardoor het moeilijk is om het hele spectrum van IR tot UV te bestrijken. Wel is het mogelijk om het licht van gepulste lasers met speciale kristallen naar een andere golflengte te verschuiven. Met dyelasers is het bovendien mogelijk om met verschillende dyes (kleurstoffen) het hele zichtbare gebied te bestrijken, maar juist deze lasers zijn moeilijker te bedienen en daardoor moeilijker in stand-alone of sensortoepassingen te gebruiken. Andere lasers kunnen ook nadelen hebben voor toepassingen in sensoren. Lasers zijn over het algemeen volumineus. Van een klein aantal gaslasers (o.a. HeNe-laser) zijn wel compacte uitvoeringen bekend. Een belangrijke vooruitgang is in dit opzicht de ontwikkeling van de diodelasers waarvan de afmetingen wet klein zijn. Tegenwoordig zijn frequentie-afstem bare diodelasers commercieel verkrijgbaar waarvan de emissie in het NIR of het rode deel van het zichtbare gebied ligt. De eerste diodelaser met groene emissie is al beschreven en aan de ontwikkeling van een blauwe diodelaser wordt gewerkt. Gemiddeld is de emissiegolflengte van de diodelaser door ontwikkelingen tot nu toe jaarlijks een tiental nanometer korter geworden, terwijl het vermogen jaarlijks gemiddeld is toegenomen. Deze ontwikkeling biedt veel mogelijkheden voor de ontwikkeling van optische veldinstrumenten, analyzers en sensoren [3.1]. LED's

In LED's (Light Emitting Diodes) worden fotonen gegenereerd via spontane emissieprocessen. Ze zijn quasi-monochromatisch en commercieel verkrijgbaar van blauw (435 nm) tot in het NIR (1500 nm) waarbij het vermogen toeneemt van enkele milliwatts bij kortere golflengtes tot meer dan 100 mW bij de langere golflengtes in het NIR [3.2], Het vermogen is niet zo hoog, maar door hun minimale afmetingen zijn LED's zeer geschikt om als lichtbron te fungeren in geminiaturiseerde absorptiedetectoren in flowcellen met zeer kleine volumes [3.2]. Een nieuwe ontwikkeling is de spectrometerdiode, waarbij een array van LED's met verschillende emissiegolflengtes, het meten van de absorptie bij meerdere golflengtes of zelfs het opnemen van een compleet spectrum mogelijk maakt [3.3].

30


lampen In tegenstelling tot lasers hebben lampen een brede spectrale emissie. Voordelen van lampen boven lasers zijn de lage prijs, de eenvoudige toepasbaarheid in routine-applicaties en de brede spectrale emissie. Er zijn filamenttampen en gasonttadingslampen die in flits- en continue uitvoering bestaan, elk met hun specifieke voor en nadelen. In referentie [3.4] wordt hier dieper op ingegaan. optische detectoren

Er zijn verschillende optische detectoren waarvan de reeds eerder genoemde positiegevoelige diodedetector er slechts één is. Er zijn thermische detectoren, die de temperatuurverhoging door absorptie van straling meten, fotoemissiedetectoren waarvan de fotomultiplier de bekendste is en fotogeleidingsdetectoren waarvan de fotodiode de meest gebruikte is. Er zijn positiegevoelige detectoren waarmee de verandering van de voortplantingsrichting gemeten kan worden en veranderingen in de voortplantingssnelheid kunnen interferometrisch bepaald worden. In referentie [3.4] wordt hier meer aandacht aan besteed. 3.3 Fiber optochemische sensoren

De toepassing van optische fibers in analytisch-chemische technieken biedt veel nieuwe mpgelijkheden om analyses, die nu na monstername in het laboratorium plaatsvinden, in-situ en real-time uitte voeren. Deze paragraaf gaat over het transport van licht in optische fibers en hoe deze eigenschappen bij de optische detectie van opgeloste stoffen toegepast kunnen worden. Goede inleidingen staan in de referenties [3.5, 3.6, 3.7, 3.8, 3.9], terwijl referentie [3.10] een uitgebreid overzicht geeft van toepassingen en nieuwe ontwikkelingen in fiber optochemische sensoren (FOCS).

Figuur 3.6 Een optische fiber bestaat uit een lichtgeleidende kern, een cladding die het licht in de kern reflecteert en een beschermingslaag (A); licht moet binnen een bepaalde hoek op de fiber vallen, anders wordt het niet in de fiber gekoppeld. In de fiber plant het licht zich via Tl R voort (B).

mantel fiberkern

cladding (A)

(B)

In essentie bestaat een FOCS uit een lichtbron, optische fibers om de excitatiebundel en het te detecteren optische signaal te transporteren, een detector en een chemische selector. De toepassing van optische fibers heeft een aantal voordelen: - optische fibers kunnen een optisch signaal over honderden meters transporteren: - optische systemen maken metingen onder moeilijke omstandigheden mogelijk, (bijv. radioactiviteit); - één detector (in een spectrometer) kan gekoppeld worden aan de

31


signalen van meerdere lokaties (zie Figuur 3.7); - FOCS hebben in veel toepassingen geen referentiesignaal nodig; - detectie kan real-time plaatsvinden; - optische fibers bevatten geen metalen zodat geen corrosie optreedt; - het optische signaal is niet gevoelig voor interferentie van elektrische signalen; Nadelen zijn: -'(dag)licht kan interfereren. Door een FOCS optisch te isoleren of modulatietechnieken toe te passen kan dit opgelost worden; - zowel fiberkern en cladding zijn kwetsbaar voor bijvoorbeeld binnendringend water, dat de lichtgeleidende eigenschappen kan beïnvloeden. Daarom bezitten fibers in bijna alle gevallen nog een extra beschermende laag.

Figuur 3.7

Opstelling voor 'remote' detectie met één spectrometer en fibers naar meerdere lokaties

locatie

locatie 2

locatie 3

optische fibers Optische fibers zijn dunne cilinders met een kern van glas of kunststof, die efficiënt licht transporteren. De fiberkern is omgeven door een laag die de cladding heet en TIR mogelijk maakt. De voortplanting van licht in een fiber is gebaseerd op TIR omdat de lichtgeleidende kern een grotere brekingsindex heeft dan de cladding (zie Figuur 3.6A). Elke keer als het licht op de cladding valt treedt reflectie op waardoor het licht binnen de kern blijft. Als licht op een fiber valt met een hoek die binnen een bepaalde kegel ligt dan treedt refractie op, waardoor het licht in de fiber gekoppeld wordt (zie Figuur 3.6B): Dit geldt niet meer als de diameter van de kern de golflengte van het licht benadert (enkele urn). Dan is alleen nog voortplanting mogelijk via geleide modes, die discreet zijn. Fibers die meerdere iichtmodes kunnen transporteren, worden multimode (MM) fibers genoemd. In MM fibers gaat de fase van het signaal verloren, maar daar staat tegenover dat ze meer vermogen kunnen transporteren. Fibers waarin slechts de propagatie van één mode mogelijk, is worden single-mode (SM) fibers genoemd. Daardoor blijft de fase van het lichtsignaal in SM fibers

32


behouden, wat interferometrische detectie mogelijk maakt. 'remote' spectroscopie

Een optische fiber wordt gebruikt om excitatielicht naar een monster of een locatie te brengen. Dezelfde of een tweede fiber voert de verzwakte transmissiebundel, emissielicht of verstrooiingssignaal naar de detector. Hoewel deze configuratie een aantal kenmerken van een chemische sensor heeft, is de selectiviteit gebrekkig en vaak onvoldoende voor de detectie van verontreinigingen in het oppervlaktewater. Deze toepassing van optische fibers wordt 'remote' spectroscopie genoemd omdat met een conventionele spectrometer op afstand gemeten kan worden. extrinsieke en intrinsieke FOCS

Er bestaan extrinsieke en intrinsieke fiber optochemische sensoren. Bij extrinsieke FOCS zit de chemische selector aan het eind van de fiber waar een selectieve indicator op de fiber of in een membraan geïmmobiliseerd is. Ook zijn er extrinsieke FOCS waar het reagens in een reservoir is omgeven door een membraan. Het licht bereikt de chemische selector vla de fiber. Dezelfde of een tweede fiber vangt het reflectie-, absorptie- of emissiesignaal en brengt het naar een detector. Het verschil met 'remote' spectroscopie zit in de (bio)chemische selector van de sensor. Bij intrinsieke sensoren wordt de propagatie of intensiteit van de lichtbundel in de fiber beïnvloed, terwijl dit bij extrinsieke sensoren pas gebeurt als het licht uit de fiber komt. Bij intrinsieke sensoren penetreren bijvoorbeeld moleculen in de cladding waardoor de voortplanting van de lichtbundel in de fiber veranderd wordt. Evanescente sensoren op basis van absorptie of refractie zijn hiervan een voorbeeld (zie §8.2 en §8.3). evanescente FOCS

Bij elke interne reflectie ontstaat door interferentie van de invallende en gereflecteerde bundel een evanescent veld (zie Figuur 3.4B). Het evanescente veld is een staande golf, die loodrecht op het reflecterende oppervlak van de cladding staat, zich niet voortplant en exponentieel afneemt in de cladding (zie Figuur 3.4C). De penetratiediepte van het evanescente veld in de cladding is afhankelijk van de brekingsindex en van een aantal andere materiaaleigenschappen. Het evanescente veld wordt groter als het aantal modes in een fiber toeneemt omdat de energie van hogere orde lichtgeleidende modes voor een groter deel in het evanescente veld zit. Als substraatmoleculen adsorberen op of penetreren in de cladding kan dit absorptie van het evanescente veld tot gevolg hebben. Ook de brekingsindex van de cladding kan veranderen. Beide processen zijn van invloed op de propagatie. Deze veranderingen kunnen aan het eind van de fiber gedetecteerd worden. Ook als de absorptie van de energie van het evanescente veld via fluorescentie vrijkomt, of als Ramanverstrooiing optreedt, kan dat gedetecteerd worden.

33


3.4 Planaire-lichtgeleider optochemische sensoren

Planaire lichtgeleiders bestaan uit dunne transparante lichtgeleidende films met een dikte van enkele fjm op een substraat. Vaak bestaat een planaire lichtgeleider uit een aantal lagen die met technieken uit de ICtechnologie op een substraat aangebracht zijn. Ze worden toegepast in planaire optochemische sensoren [3.7]. Behalve de planaire zijn er ook kanaalvormige lichtgeteiders die het best is te vergelijken met een platgeslagen fiber op een substraat. De ontwikkeling van deze Planaire-lichtgeleider Optochemische Sensoren (POCS) is nog niet zover als van FOCS, maar POCS hebben als voordeel dat ze profiteren van innovaties uit de geïntegreerde optica. Als integratie van lichtbron, chemische selector, planaire of kanaallichtgeleider en detector op een chip mogelijk is, kan gesproken worden van een optochemische sensorchip of van een geïntegreerd optochemische sensor [3.11]. Zo'n sensor zal klein zijn en maakt optische elementen als lenzen en spiegels overbodig.

Figuur 3.8 Planaire optochemische sensor waarbij het licht met prisma's in de dunne film lichtgeleider gekoppeld wordt.

support su bstrate

Net als in optische fibers plant licht zich in planaire lichtgeleiders voort door middel van TIR, waarbij het omliggende medium een lagere brekingsindex moet hebben (zie Figuur 3.8). Dit medium kan ook lucht of water zijn. Lichtbundels worden met prisma's, tralies of direct in de lichtgeleider gekoppeld, waarbij de invalshoek, net als bij optische fibers, aan bepaalde voorwaarden moet voldoen. Als de dikte van de planaire lichtgeleider afneemt, ontstaat bij elke reflectie ook een evanescente golf en wordt voor elke golflengte een beperkt aantal discrete modes mogelijk. Dat maakt ook de constructie van POCS op basis van absorptie van energie van het evanescente veld mogelijk (zie §8.2 en §8.3). Ook bij POCS is interferometrische detectie mogelijk als een bundel in tweeën gesplitst wordt en één bundel door een planaire lichtgeleider gaat waarvan de brekingsindex verandert door substraatabsorptie terwijl de voortplanting van de tweede bundel niet verandert. Door het verschil in brekingsindex ontstaat een interferentiepatroon als beide bundels gecombineerd worden [3.11].

34


3.5 Referenties

[3.1]

Imasaka, T.; Ishibashi, N.; 1990, Anal. Chetn. 62 (6), pp. 253A-371A, Diodelasers in practical analysis

[3.2]

Dasgupta, P.K.; Beltamy, H.S.; Uu, H.; Lopez, J.L; Loree, E.L.; Morris, K.; Petersen, K.; Mir, K.A. 1993, Talanta 40 (1), pp. 53-74, Light emitting diode based flow-through optical absorption detectors

[3.3]

Albertshofer, W.; 1991, Sens. Act. A 25-27, pp. 443-447, A tunable 'spectrometerdiode' with a spectral resolution of 3 nm in the 660-900 nm range

[3.4]

Modlin, D.N.; Milanovich, F.P.; 1991, in: Fiber Optie Chemical Sensors and Biosensors, Vol. I, O.S. Wolfbeis <ed.), Chapter 6, pp. 237-302, Instrumentation for fiber optie chemical sensors

[3.5]

Janata,}.; 1989, Principles of Chemical Sensors, Plenum Press, New York, Chapter 5, pp. 241-284, Optical Sensors

[3.6]

Seitz,W.R.; 1984, Anal. Chem. 56 (1), pp. 16A-34A, Chemical sensors based on fiber opties

[3.7]

Dessy, R.E.; 1989, Anal. Chem. 61 (19), pp. 1079A-1094A,Waveguides as chemical sensors

[3.8]

Arnold, M.A.; 1992, Anal. Chem. 64 (21), pp. 1015A-1025A, Fiber-optie chemical sensors

[3.9]

Narayanaswamy, R.; 1993, Analyst 118 (4), pp. 317-322, Optical chemical sensors transduction and signal processing

[3.10] Wolfbeis, O.S, (ed.); 1991, Fiber Optie Chemical Sensors and Biosensors, Vol. I & I!, CRC Press, Boca Raton [3.11] Lambeck, P.V.; 1992, Sens. Act. B 8, pp. 103-116, Integrated opto-chemical sensors

35


36


4 Selectiviteit

In het oppervlaktewater komen vele honderden verbindingen in lage concentraties voor. Voor de detectie van specifieke verbindingen is het van groot belang om voldoende selectief te meten, zodat een meetwaarde de actuele concentratie van een verbinding weergeeft. Vanwege het belang van selectiviteit in chemische sensoren is Hoofdstuk 4 aan dit onderwerp gewijd. Bij optische bepalingen is sprake van spectrale selectiviteit, bijvoorbeeld als verbindingen of gevormde reactieprodukten bij verschillende golflengtes absorberen of fluoresceren. Toch is deze spectrale selectiviteit in de meeste gevallen onvoldoende voor in-situ bepalingen in het oppervlaktewater-. Introductie van chemische selectiviteit, gebaseerd op moleculaire herkenning, kan de selectiviteit verbeteren. Hierbij worden verbindingen als chemische selector gebruikt, die selectief reageren met een verontreiniging. Voor toepassingen waarbij continu de concentratie van een verbinding bepaald dient te worden, is het bovendien belangrijk dat de bindingsreactie tussen selector en verontreiniging reversibel is, zodat het aantal moleculen dat bindt met de seiectormoleculen voortdurend de actuele concentratie van de verontreiniging in de matrix weergeeft. Daarom komt de reversibiliteit van chemische selecteren mede aan bod in dit hoofdstuk. Om de reactie van een chemische selector met de te detecteren verbinding optisch te kunnen detecteren is het noodzakelijk dat de bindingsreactie optisch onderscheidbare reactieprodukten oplevert. Dit kan bijvoorbeeld als het absorptie- of emissiespectrum verandert. Als een selectieve optische indicator via een irreversibele reactie reageert, kunnen deze indicatoren toegepast worden in geautomatiseerde flowinjectiesystemen, waarbij aan eik monster een hoeveelheid indicator toegevoegd wordt. §4.1 gaat over conventionele kleuringsreagentia, die vaak al decennia lang voor optische bepalingen toegepast worden. §4.2 gaat over cyclische macromoleculen die reversibel en selectief ionen of neutrale moleculen in een moleculaire holte bergen. In §4.3 gaat het om de selectiviteit van enzymen en in §4.4 komt immunochemische selectiviteit aan bod. Tot slot worden in §4.5 technieken geïnventariseerd waarmee het mogelijk is om opgeloste verbindingen on-line te preconcentreren of te isoleren voordat optische detectie plaatsvindt. 4.1 Conventionele reagentia Uit de colorimetrie en fluorometrie zijn een groot aantal reagentia bekend, die reageren met ionen en organische verbindingen en waarvan het reactieprodukt sterk absorbeert of fluoresceert (wat optische detectie mogelijk maakt). Deze kleuringsreacties worden toegepast om ionen of organische verbindingen (in lage concentraties) te detecteren. Tegenwoordig worden deze reagentia ook als optische indicator in optochemische sensoren toegepast, waarbij het reagens geïmmobiliseerd is of door een semipermeabel membraan beschermd wordt.

37


indicatoren voor ionen Bij kleuringsreacties reageren ionen (MO met een reagens (Ind), dat als optische indicator en chemische selector fungeert: M+ + Ind -*-

Mlnd+

waarbij een complex (Mlnd+) gevormd wordt, waarvan de absorptie of de'fiuorescentie gedetecteerd kan worden. Hoewel deze reagentia uitermate geschikt lijken als selectieve indicator in optochemische sensoren, zijn er ook een aantal nadelen [4.1]: - beperkte selectiviteit. De meeste reagentia kunnen met meerdere (metaal)ionen een (gekleurd) complex vormen. - invloed van de pH. De meeste indicatoren kunnen ook met protonen reageren waardoor de complexvorming afhankelijk van de pH wordt. -gebrekkige reversibiliteit. Vaak is de kleuringsreactie irreversibel, waardoor het niet mogelijk is om de fluctuerende concentratie van het ion continu te volgen. - immobilisatie van de indicator kan complexvorming bemoeilijken. Bij de meeste metaal-ligand complexen is de verhouding tussen metaal en ligand niet 1:1, maar 1:2 of 1:3, waarbij een specifieke ruimtelijke structuur gevormd wordt. Als dit door immobilisatie van de indicator moeilijker wordt, zal dit complexvorming belemmeren of zelfs onmogelijk maken. • HMndicatoren " De binding van een proton met een HMndicator is reversibel omdat hier wel sprake is van een evenwichtsreactie. Protonering of deprotonering van de indicator beïnvloedt het absorptiespectrum, wat in oplossing vaak met het blote oog te zien is. Omdat het hier gaat om een zuurbase evenwicht, verandert de protoneringsgraad alleen detecteerbaar als de pH niet meer varieert dan één pH-eenheid om de pKa van de indicator [4.1]. Als de pH (en daarmee de concentratie H*-ionen) meer varieert, dan zal de indicator alteen in de geprotoneerde of gedeprotoneerde vorm voorkomen en is de indicator niet meer gevoelig voor veranderingen in de concentratie H+. In een aantal gevallen kan een H+-indicator gekoppeld worden aan een verbinding die selectief met ionen bindt. Als de indicator gedeprotoneerd wordt als het met de verbinding een complex vormt met een positief ion en de pH gebufferd is, dan is de kleurverandering van de HMndicator gerelateerd aan de hoeveelheid gebonden cation (zie §4.2). reagentia voor organische verbindingen

Ook voor organische verbindingen, die niet absorberen in het zichtbare gebied, bestaan kleuringsreacties met reagentia/indicatoren waarvan het reactieprodukt wel optisch te detecteren is. In de meeste gevallen gebeurt dat via een geschikte reactie, waarbij een f luorofoor of een chromofoor gesubstitueerd wordt. Vaak gaat het om irreversibele reacties of kan de indicator alleen onder specifieke omstandigheden (sterk zuur, sterk basisch) geregenereerd worden, Ook de selectiviteit laat soms te wensen over omdat een indicator vaak met een specifieke groep van een verbinding reageert. Daardoor kan de indicator ook reageren met een andere verbinding die dezelfde specifieke groep heeft. Maar als de reactieprodukten spectraal onderscheiden kunnen worden, is het mogelijk om ook reagentia voor organische verbindingen als optische indicator toe te passen.


4.2 Cyclische macromoleculen

Cyclische macromoleculen, zoals kroonethers en kroonetherderivaten, zijn in het algemeen beter geschikt als chemische selector dan de meeste conventionele reagentia. Deze moleculen binden selectief en reversibel met ionen of neutrale organische moleculen [4.2]. Bovendien vormen de macromoleculen 1:1-complexen omdat maar één molecuul in de moleculaire holte past. Bij de vorming van een complex met een ion spelen elektrostatische interacties een rol, met name ladingsinteracties, dipool-dipoolinteracties en van der Waalsinteracties. ionoforen

lonoforen zijn cyclische macromoleculen die een reversibel complex kunnen vormen met ionen. De bekendste zijn kroonethers en kroonetherderivaten [4.2]. Hoewel de meeste ionoforen niet van nature voorkomen en in het laboratorium gesynthetiseerd zijn, bestaan ook enkele natuurlijke ionoforen, zoals valinomycine, dat affiniteit voor K+ heeft. Bij de complexvorming 'kruipt' een ion in de moleculaire holte en 'buigen' de gesubstitueerde zijketens over de holte naar het ion (zie Figuur 4.1) De ruimtelijke pasvorm en elektrostatische interacties bepalen of een ion 'herkend' wordt en complexvorming plaatsvindt. Door functionele zijketens te substitueren aan een ongesubstitueerde ringstructuur, zoals een kroonether, is het mogelijk om een ionselectieve ionofoor te ontwerpen waarvan de eigenschappen globaal voorspeld kunnen worden. De selectiviteit van lonoforen is gebaseerd op de affiniteit voor een specifiek ion. Vaak bezitten ionoforen ook enige affiniteit voor verwante ionen, wat overigens pas een probleem vormt als het interferende ionen in overmaat aanwezig zijn. Daarom zijn de meeste ionoforen niet toepasbaar in zeewater, waar enkele ionen in overmaat aanwezig zijn, terwijl de meeste andere lonen in subnanomolaire concentraties aanwezig zijn [4.3]. lonoforen worden vaak opgelost of geïmmobiiiseerd in membranen van sensoren die gebaseerd zijn op elektrochemische detectieprincipes. Voorbeelden hiervan zijn de ion-selectieve elektrode (ISE) en de ionselectieve veld-effect transistor (ISFET).

Figuur 4.1 De reversibele binding van een dubbel gesubstitueerde kroonether met een cation.

M+

chromo-ionoforen en fluoro-ionoforen

Door een chromofoor of fluorofoor te substitueren aan een ionofoor is het mogelijk om de complexvorming optisch te detecteren [4.4, 4.2]. De gevormde verbindingen worden respectievelijk chromo-ionoforen en fluoro-ionoforen genoemd, waarbij van chromo-ionoforen meer toepassingen bekend zijn dan van fluoro-ionoforen [4.4]. Om optische detectie mogelijk te maken, moet complexvorming het absorptiespectrum of het emissiespectrum van de chromo- of fluoro-

39


ionofoor beïnvloeden. Dit is mogelijk als de gesubstitueerde chromofore zijketen om het ion vouwt en het absorptiespectrum beïnvloed wordt door de veranderde polariteit in het micromilieu of door de intramoleculaire herverdeling van lading. Vaak worden HMndicatoren als chromofoor gesubstitueerd aan een ringstructuur. Als een ionofoor een complex vormt met een ion, zal de H4-indicator een proton afstaan of opnemen, waardoor de kleur en dus het absorptiespectrum van de indicator verandert. Om het aantal gevormde complexen te kunnen relateren aan de kleurverandering van de indicator, nodig voor een kwantitatieve bepaling, is het belangrijk dat de pH gebufferd is. De (de)protonering van de indicator wordt namelijk niet alleen bepaald door het evenwicht tussen ionofoor en ion, maar ook door het zuur-base evenwicht van de indicator. Ook substitutie van een fluorescerende H"-indicator aan een ionofoor is mogelijk. Het is bovendien mogetijk om een HMndicator toe te passen zonder deze aan de ringstructuur van een ionofoor te substitueren. Hierbij worden zowel de ionofoor als een (gealkyleerde) H*-indicator opgelost in een membraan van polyvinylchloride (PVC), waaruit ze door hun apolaire karakter niet naar de oplossing kunnen ontsnappen [4.5]. Als de ionofoor een complex vormt met een ion dat in feite uit de oplossing geëxtraheerd wordt, zal de HMndicator een proton afstaan om de totale lading in het membraan constant te houden (zie §5.1). cyclische macromoleculen voor organische verbindingen

Sommige cyclische macromoleculen, als cyclodextrines en calixarenen, kunnen organische verbindingen in hun moleculaire holte bergen. Naast de ruimtelijke pasvorm spelen ook elektrostatische interacties weer een rol in de complexvorming. De selectiviteit van deze cyclische macromoleculen is kleiner dan van de meeste ionoforen. Ook de reversibiliteit is in het algemeen geringer. Regeneratie is in veel gevallen mogelijk door afspoelen met een apolaire vloeistof [4.2]. Optische detectie is mogelijk als onder invloed van de (sterk) hydrofobe omgeving in de moleculaire holte het absorptie- of emissiespectrum van de te detecteren verbindingen verandert, maar het aantal gevonden toepassingen in de literatuur is klein [4.6, 4.7] (zie §6.1). 4.3 Enzymatische selectiviteit Enzymen zijn eiwitten die in levende cellen als (bio)katalysator fungeren en in staat zijn om een grote verscheidenheid aan reacties met grote efficiëntie te laten verlopen. Enzymen kunnen zeer selectief zijn voor de verbinding die ze omzetten (substraatspecificiteit), maar er zijn ook enzymen die meerdere verbindingen aan een specifieke reactie kunnen onderwerpen (reactiespecifciteit). Bij reactiespecificiteit gaat het om reacties met een specifieke groep, zoals bijvoorbeeld de hydroxygroep (OH) en de carboxylgroep (COOH). Omdat veel verbindingen dezelfde specifieke groep kunnen bezitten, kan een reactiespecifiek enzym dan ook meerdere verbindingen omzetten. De selectiviteit van een enzym voor één type substraat wordt vaak geïllustreerd met de sleutel-slot analogie (zie Figuur 4.2). Op de reactieplaats van het enzym, dat het slot voorstelt, past maar één type substraat dat de sleutel voorstelt. De selectiviteit van het enzym is gebaseerd op elektrostatische interacties, zoals ladings- en dipoolinteracties en waterstofbrugvorming. Voordat het substraat kan binden, moeten vorm, grootte en de oriëntatie van bepaalde functionele groepen van substraat en enzym complementair zijn. In een (enzym)reactie vormt een enzym (E) tijdelijk een complex met een substraatmolecuut (S) waardoor het enzym de reactie kan

40


katalyseren en het reactieprodukt (P) gevormd kan worden:

E + S^

ES^EP-

E+P

\r\ een aantal gevallen is naast het enzym nog een metaalion of een klein organisch molecuul noodzakelijk voor de enzymreactie. Zo'n onmisbare verbinding wordt een co-factor genoemd. Sommige co-factoren gaan een zeer sterke binding aan met het enzym (metallo-enzymen), terwijl het ook mogelijk is dat de co-factor voor de substraatomzetting met het enzym bindt en direct na de reactie onveranderd vrijkomt.

Figuur 4.2 De bindtngsplaats van een enzym is zeer selectief voor het substraat (of een deel hiervan).

De omzetting van substraat kan optisch gedetecteerd worden, als het substraat absorbeert of het reactieprodukt een fluorescerende verbinding is. Door de afname van het substraat of de toename van het reactieprodukt te bepaien kan ook de enzymactiviteit bepaald worden. Co-factoren, die na de reactie weer vrijkomen zonder gemodificeerd te zijn, kunnen ook gebruikt worden om de enzymactiviteit te bepalen. Verbindingen, die de werking van een enzym remmen door complexvorming, kunnen gedetecteerd worden door de afname van de enzymactiviteit te bepalen ten opzichte van een blanco-bepaling zonder enzymremmer. De werking van een aantal pesticiden is gebaseerd op de remming van essentiële enzym reacties, waardoor ze met deze enzymen gedetecteerd kunnen worden. Als een enzym selectief bindt met een co-factor en de vorming van het complex veroorzaakt een verschuiving in het spectrum van het enzym of de enzymremmer, biedt dit mogelijkheden voor optische detectie. Sommige metallo-enzymen kunnen daarom als ionofoor toegepast worden [4.3]. Enzymen stellen in het algemeen hoge eisen aan hun omgeving. In dit opzicht zijn pH, saliniteit en temperatuur belangrijk, evenals de aanwezigheid van metalen die toxisch zijn. Als de omstandigheden niet optimaal zijn, vermindert de activiteit snel en kan deze zelfs totaal verdwijnen. Dit vormt een probleem voor toepassingen in het oppervlaktewater, waarin chemische en fysische parameters snel en aanzienlijk kunnen varieren. 4.4 Immunochemische selectiviteit

Immunochemische selectiviteit is gebaseerd op de bindingen die antilichamen zeer selectief en met grote affiniteit kunnen vormen met tal van macromoleculen. Ook hier kan, net als bij de binding van enzym en substraat, de sleutel-slot analogie gebruikt worden om de selectiviteit van de binding te beschrijven. Deze paragraaf beschrijft het principe van immunochemische selectiviteit en de toepassing hiervan in

41


immunoassays met optische detectie. antigenen en haptenen Antilichamen of immunoglobulines (Ig) worden geproduceerd door zogenaamde B-cellen in vertebraten (gewervelden) als reactie op het binnendringen van een antigeen. Een antigeen is een vreemd object met grote moiecuulmassa, waarmee het geproduceerde antilichaam specifiek bindt. Virussen, vreemde eiwitten en ander macromoleculen kunnen een anti'gene respons induceren. Antigenen hebben in het algemeen verschillende bindingsplaatsen, waardoor meerdere antilichamen met hetzelfde antigeen kunnen binden. Moleculen met een massa boven de 10.000 Dalton zijn sterk immunogeen, terwijl moleculen met een massa kleiner dan 10.000 Dalton zwak immunogeen zijn. Voor de volledigheid: 1 Dalton is 1 atomaire massa-eenheid. Kleine moleculen (<1.000 Dalton) kunnen in het algemeen geen immunogene respons induceren, hoewel enkele uitzonderingen bestaan. Kleine organische moleculen, zoals pesticiden, worden haptenen genoemd en het is mogelijk om een antigene respons te induceren door haptenmoleculen te koppelen aan een vreemd eiwit, dat als drager voor het hapten fungeert. Als het hapten-drager eiwit complex in de bloedbaan gebracht, ontstaat een antigene respons en worden meestal ook antilichamen geproduceerd die selectief met het hapten binden. Het antilichaam dat specifiek met het hapten bindt, kan uit het mengsel van antilichamen geïsoleerd worden. Op deze manier is het mogelijk om antilichamen tegen pesticiden te produceren [4.8,4.93polyclonale en monoclonale antilichamen Naast polyclonale antilichamen die in het bloed geproduceerd worden als respons op een specifiek antigeen, bestaan ook monoclonale antilichamen. Monoclonale antilichamen worden geproduceerd door cellen die afstammen van dezelfde B-cel. Alle cellen produceren dan antilichamen, die affiniteit hebben voor hetzelfde hapten of voor dezelfde bindingsplaats op een antigeen [4.10]. Polyclonale antilichamen worden in een vertebraat door verschillende Bcellen geproduceerd als respons op een specifiek antigeen. Daardoor bestaan polyclonale antilichamen uit een mengsel van verschillende antilichamen die affiniteit kunnen hebben voor verschillende bindingsplaatsen op een antigeen. Zowel monoclonale als polyclonale antilichamen hebben specifieke voor- en nadelen [4.10]. IgG-interacties Hoewel vijf types immunoglobulines bestaan, vormt de groep van immunoglobuline G (IgG) de grootste groep, die in de meeste immunoassays toegepast wordt. IgG bestaat uit een twee identieke lichte polypeptideketens en twee identieke zware polypeptideketens, die verbonden zijn door middel van disulfidebindingen. Aan de uiteinden van de lichte polypeptideketens kan een antigeen binden, zodat elk IgG met twee antigenen kan binden. In de binding spelen elektrostatische interacties weer de hoofdrol.

42


Tabel 4.1 Voor verschillende affiniteitsconstantes K wordt de evenwichtsconcentraties hapten [H] weergegeven als respectievelijk 10, 50, en 9 0 % antilichaam (Ab) gebonden is aan een haptenmolecuui. De laatste kolom bevat het percentage antilichaam dat met hapten gebonden blijft na twee keer wassen. K (Irnol'1) 10 10' 10'

[H]blJ10% gebonden Ab

[H] bij 50% gebonden Ab 10 6 10"' 10»

10-' 10= 10-'°

[H] bij 90% gebonden Ab

fractie gebonden Ab na twee keer wassen

10 s 10* 10 8

1% 20% 80%

Hoewel de binding van een antilichaam met een antigeen of een hapten vaak als irreversibel beschouwd wordt, gaat het om een evenwicht waarvan de evenwichtsconstante K de ligging bepaalt. In het speciale geval waarin een antilichaam bindt met een hapten, dat maar één bindingsplaats heeft, kan dit weergegeven worden door: K

[HAb]

Ab + H ^ H A B

met K

=

±

ass

± K

^ dis

De evenwichtsconstante K, die in immunoreacties affiniteitsconstante genoemd wordt, kan voor een sterke antilichaam-antigeén binding een waarde van 1011 l/mol hebben. Dat betekent dat bij een antigeenconcentratie van 1 0 " M bij evenwicht de helft van de alle antilichaammoleculen gebonden is. De waarde van de affiniteitsconstante is dus rechtstreeks gekoppeld aan de detectielimiet. Tabel 4.1 bevat voor verschillende affiniteitsconstantes de concentratie van het hapten bij evenwicht, als 10%, 50% en 90% van de antilichamen is gebonden met een hapten. Afhankelijk van de affiniteitsconstante, worden antilichamen daarom gekwalificeerd als zwak (K<104), medium (104108) [4.10]. Met een antiiichaam met een grote affiniteitsconstante zijn lage detectielimieten mogelijk, maar dit gaat ten koste van de reversibiliteit (zie ook Tabei 4.1), Na twee keer wassen zal voor een antilichaam met een affiniteitsconstante van 106 !/mol in evenwicht slechts 1 % nog gebonden zijn terwijl dit voor een antilichaam met een affiniteitsconstante van 10' nog 80% gebonden is en als irreversibel beschouwd kan worden [4.10]. De affiniteitsconstante K is het quotiënt van de reactieconstantes van beide deelreacties (K=kass/kcjjS). Bij antilichamen varieert k^\s meer dan ^ass wa afdoor kdjs met name de grootte van de affiniteitsconstante en daarmee ook de reversibiliteit bepaalt. kruisreactiviteit

Antilichamen voor specifieke haptenen hebben vaak ook enige mate van affiniteit voor andere verbindingen. Bij sommige antilichamen is zelfs sprake van affiniteit voor een groep verwante verbindingen. Affiniteit voor andere verbindingen wordt kruisreactiviteit of overspraak genoemd. Het kan tot fouten leiden in immunochemische bepalingen. Het kan ook de basis vormen om een groep verbindingen te detecteren, hoewel hierbij rekening gehouden dient te worden met het verschil in affiniteit voor de verschillende verbindingen. Kruisreactiviteit is niet alleen een probleem bij polyclonale antilichamen die altijd afkomstig zijn van verschillende B-cellen. Ook monoclonale antiltchamen kunnen affiniteit hebben voor meerdere verbindingen.

43


Immunoassays Alle immunoassays zijn gebaseerd op hetzelfde principe: de directe of indirecte detectie van het aantal antiüchamen dat met antigenen of hapteren is gebonden. Omdat slechts bij een beperkt aantal fluorescerende verbindingen directe detectie mogelijk is, worden in de meeste immunoassays labels gebruikt. Er zijn fluorescerende labels [4.10] (in fluoro-immunoassays), radioactieve labels in Radio Irrrmuno Assays (RIA), chemiluminescente labels [4.11] en enzymlabels (in enzymassays). Aan een enzymassay wordt na incubatie substraat toegevoegd, dat door enzymen omgezet wordt in een gekleurd reactieprodukt waarvan de absorptie bepaald kan worden [4.8, 4.9]. RIA's worden nauwelijks gebruikt voor milieutoepassingen omdat het werken met radioactieve isotopen extra voorzorgen vereist. Afhankelijk van het type immunoassay worden de gebonden of ongebonden antiüchamen gedetecteerd. Bij non-competitieve of sequentiële assays wordt na incubatie een tweede gelabeld antilichaam toegevoegd dat op een andere bindlngsplaats op het antigeen bindt. Nadat de overmaat gelabeld antilichaam verwijderd is, is het signaal afkomstig van de gebonden antilichamen. Ondanks de voordelen van deze niet-competitieve assays, zoals lagere detectielimieten en snellere resultaten, zijn ze niet toepasbaar voor de detectie van haptenen omdat die maar één antigene bindingsplaats bezitten [4.8]. Bij competitieve assays wordt aan een monster met onbekende hoeveelheid hapten een bekende hoeveelheid gelabelde verbinding toegevoegd, waardoor haptenmoleculen en de moleculaire labels concurreren voor de beschikbare bindingsplaatsen. Omdat het antilichaam ook affiniteit moet hebben voor de gelabelde verbinding, wordt vaak dezelfde verontreiniging aan het label gekoppeld. Na verwijderen van de overmaat gelabeld en ongelabeld hapten, kan detectie van het substraat plaatsvinden. Het signaal is evenredig met het aantal antilichamen dat met de gelabelde verbindingen heeft gebonden.

Figuur 4.3 De procedure van een ELISA voor pesticidedetectie op locatie; antiüchamen worden geadsorbeerd op een substraat (A); het monster en een bekende hoeveelheid enzymlabels worden toegevoegd (B); de pesticide en de gelabelde verbindingen concurreren voor de beschikbare bindingen CO; na het spoelen van de ongebonden pesticidemoleculen en enzymlabels wordt enzymsubstraat toegevoegd (D); Het enzymsubstraat wordt omgezet in een gekleurd reactieprodukt waarvan de absorptie gerelateerd is aan het aantal antilichamen dat met pesticidemoieculen heeft gebonden (E).

monster met \ pesticide • \ moleculen ~~-^{j

/ enüymlabei / ^ \ \ ^ . •*•

r*i

/JA

YYYYY (A)

bslra.it

(C)

Y

antilichaam

T

pestlcidemolecule

f » •

enzymtabel enzymsubstraat gekleurd reactieprodukt


Het meest toegepaste immunoassay voor de detectie van organische verontreinigingen als pesticiden is tegenwoordig het ELISA (Enzyme Linked ImmunoSorbent Assay), een competitief assay met enzymlabels, waarbij de antilichamen op een vast oppervlak zijn gecoat [4.8, 4.9]. Van dit type assay bestaan commerciële immunokits voor snelle kwalitatieve bepalingen van pesticiden waaronder ook draagbare uitvoeringen voor kwantitatieve analyse op locatie [4.9], Een analyse met dit type veldinstrument kost ongeveer 15 minuten inclusief de voorbewerktng van het monster. Bij een ELISA wordt na het immobiliseren van het specifieke antilichaam de overmaat niet gebonden antilichaam verwijderd door het oppervlak af te spoelen (Figuur 4.3A). Vervolgens worden het monster met onbekende hoeveelheid van een hapten en een bekende hoeveelheid gelabeld hapten toegevoegd (Figuur 4.3B). Tijdens de incubatie ontstaat een evenwicht in de competitie tussen gelabeld en ongelabeld hapten om de beschikbare bindingsplaatsen (Figuur 4.3C). Na de incubatie worden de ongebonden haptenmoleculen en de overmaat enzymlabels weggewassen, waarna substraat voor het enzym toegevoegd wordt. De absorptie van het gekleurde reactieprodukt is evenredig met het aantal antilichamen waaraan enzymlabels zijn gebonden en dus omgekeerd evenredig met het aantal gebonden pestidemoleculen [4.8, 4.9]. 4.5 Isolatie en preconcentratie Naast de selectiviteit van een dètectietechniek (zie §4.1 t/m §4.4), is het belangrijk dat een dètectietechniek gevoelig genoeg is. Daarbij moet interferentie door andere verbindingen en de matrix voorkomen worden. Omdat veel verontreinigingen in zeer lage concentraties voorkomen is de gevoeligheid in veel gevallen een probleem. Maar ook interferentie van andere matrixcomponenten vormt vaak een probleem, zoals bijvoorbeeld de achtergrondabsorptie van water in het IR waardoor met IR-absorptietechnieken geen lage detectielimieten mogelijk zijn in waterige oplossingen. In estuariene wateren vormt de invloed van de (cyclische veranderende) saliniteit een probleem omdat de saliniteit vaak van invloed is op eigenschappen van opgeloste verbindingen. Isolatie en/of preconcentratie van opgeloste verbindingen zijn mogelijke oplossingen als een dètectietechniek niet gevoelig genoeg is of een gebrekkige selectiviteit bezit. Isolatie- en preconcentratietechnieken zijn oorspronkelijk ontwikkeld voor monsterbereiding in het laboratorium. Tegenwoordig worden ze steeds vaker toegepast in combinatie met een geautomatiseerd veldinstrument of een stand-alone analyzer. !n deze paragraaf gaat het om isolatie- en preconcentratietechnieken die on-line gekoppeld kunnen worden aan optische detectietechnieken of waarvan toepassingen bekend zijn in optochemische sensoren. Het gaat om de volgende technieken: - adsorptie aan immunokolommen - adsorptie aan vaste media - gaspermeatie - vloeistof/vloeistofextractie - selectieve extractie adsorptie aan immunokolommen Immunokolommen bestaan uit antilichamen geïmmobiliseerd op een geschikt dragermateriaal. Door (verontreinigd) water langs een immunokolom te laten stromen is het mogelijk om organische verontreinigingen selectief en met grote affiniteit te preconcentreren. Als vervolgens de immunokolom afgespoeld wordt met een klein volume van een geschikte vloeistof waarin de geadsorbeerde verbinding weer

45


oplost, kan detectie plaatsvinden. Dit kan met chromatografie waarvoor de term immunoaffiniteitschromatografie gebruikt wordt [4.12], maar ook met optische detectietechnieken. Met deze preconcentratietechniek is het mogelijk om organische verontreinigingen, zoals pesticiden, op ppt-niveau te detecteren [4.13, 4.14], Voor tal van pesticiden zijn antilichamen al commercieel verkrijgbaar [4.8,4.9]. Een inventarisatie staat in Bijlage B. De immunochemische selectiviteit van antilichamen is in §4.4 uitvoeriger beschreven. adsorptie aan vaste media

Ook adsorptie aan vaste stoffen is toepasbaar als preconcentratietechniek, waarbij korrels van een adsorbent met een monster verontreinigd water geschud kunnen worden. Ook kan verontreinigd water langs een adsorbentkolom stromen. Afhankelijk van detoepassingzijn twee types adsorbents te onderscheiden: - Adsorbents waaraan veel organische verbindingen adsorberen. Deze stoffen worden toegepast als preconcentratietechniek voor bijvoorbeeld capillaire elektroforese en gas- en vloeistofchromatografie. Door thermische desorptie of het afspoelen van de kolom met een geschikte vloeistof kunnen de verontreinigingen bijvoorbeeld in de kolom van een chromatograaf gebracht worden. Adsorbents a!s actieve kool en poreuze polymeren worden hiervoor gebruikt. - Adsorbents die selectief zijn voor een verbinding of een klein aantal verbindingen. Hiervoor worden verschillende gealkyleerde silicagels gebruikt. De verbindingen kunnen in geadsorbeerde toestand [4.15] of na afspoelen van de kolom [4,16] gedetecteerd worden. Ook vloeibare kristallen zijn toepasbaar als adso.rbent voor vluchtige organische componenten [4.17]. De selectiviteit hiervan is gebaseerd op de starre geometrische structuren van vloeibare kristallen. gaspermeatie

Gaspermeatie of gasdiffusie door een hydrofoob membraan kan toegepast worden bij de isolatie van opgeloste gassen en vluchtige organische componenten (VOC's). Dunne membranen met een dikte van enkele urn worden gemaakt van materialen als silicon, polycarbonaat en teflonverbindingen. Ze worden niet alleen toegepast in flow-injectiesystemen, maar ook in gassensoren om de chemische selector of indicator te scheiden van de (vloeibare) matrix. vloeistof/vloeistofextractie

Extractie met organische vloeistoffen maakt het mogelijk otn apoïaire verbindingen uit een waterfase te isoleren. Door verschillende extractievloeistoffen te gebruiken is het mogelijk om verschillende VOC's en pesticiden te isoleren, hoewel de selectiviteit niet geweldig is. Wel is het mogelijk om een opgeloste verbinding met een factor 10 te concentreren. Dat is echter in veel gevallen nog onvoldoende om een verbinding in het oppervlaktewater te kunnen detecteren. Door de extractie vele malen te herhalen kan in het laboratorium de concentratiefactor aanzienlijk vergroot worden. Continue extractie is mogelijk [4.18], naast on-!ine vloeistofvloeistof extractie in combinatie met een flow-injectiesysteem en optische detectie [4.19]. Ook het koppelen van een chromatograaf met on-line vloeistof-vloeistofextractie is mogelijk. Voor toepassing in chemische sensoren is vloeistof-vloeistofextractie minder geschikt door het gebruik van organische vloeistoffen die ververst moeten worden en afval opleveren.

46


selectieve extractie Met verbindingen die als chemische selector fungeren, zoals kroonetherderivaten, is selectieve extractie mogelijk. Door het hydrofobe karakter van ionoforen kunnen metaalionen in een organisch oplosmiddel geëxtraheerd worden [4.2], Dit kan de fluorescentieintensiteit versterken en interferentie van andere verbindingen verminderen [4.20]. Een andere toepassing is het oplossen of immobiliseren van ionoforen in een hydrofoob membraan waaruit de ionoforen door hun apolaire karakter moeilijk kunnen ontsnappen. Daardoor is het mogelijk om ionen selectief in het membraan te extraheren [4.2], wat de basis vormt van ionselectieve elektrodes, maar ook van een groep optische sensoren (zie §4.2 en voor toepassingen §5.1 en §6.1).

47



4.6 Referenties

[4.1]

Seitz, W.R.; 1991, in: Fiber Optie Chemical Sensors and Biosensors Vol 2, ed. O.S. Wolfbeis, CRC Press, Boca Raton, Chapter9, pp. 1-17, Optical ion sensing

[4.2]

Tsukube, H.; 1993, Talanta40 (9), pp. 1313-1324, Doublé armed crown ethers and armed macrocycies as a new series of metal-selective reagents: a review

[4.3]

Thompson, R.B.; Jones, E.R.; 1993, Anal. Chem. 65 (6), pp 730-734, Enzyme-Based fiber optie zinc biosensor

[4.4]

Lohr, H-G.;Vogtle, F.; 1985, Ace. Chem. Res. 18, pp. 65-72, Chromo- and fluoroionophores: a new ciass of dye reagents

[4.5] - Morf, W.E.; Seiler, K.; Lehman, B.; Behringer, C; Hartman, K.; Simon, W.; 1989, Pure & Appl. Chem. 61 (9), pp. 1613-1618, Carriers for chemical sensors: design features of optical sensors (optrodes) based on selective chromoionophores [4.6]

Hamasaki, K.; Ueno, A.; Toda, F.; 1993, J Chem. Soc. - Chem. Commun. 3, pp. 331-333, A fluorescent alpha-cyclodextrin as a sensor for detecting aliphatic alcohols by dual fluorescence arising from normal planar and twisted intramolecular charge transfer excited states

[4.7]

Litwiler, K.S.; Catena, C C ; Bright, F.V.; 1990, Anal. Chim. Acta237, pp. 485-490, Simple fiber-optie sensor based on immobiüzed beta-cyclodextrin

[4.8]

Hoek, B.; 1993, Acta Hydrochim. Hydrobiol. 21 (2), pp. 71-83, Enzyme immunoassays for pesticide analysis

[4.9]

Van Emon, J.M.; Lopez-Avila, V.; 1992, Anal. Chem. 64 (2), pp. 79A-88A, Immunochemical methods for environmental analysis

[4.10] Vo-Dinh, T.; Griffin, CD.; Sepaniak, M.J.; 1991, in: Fiber Optie Chemical Sensors and Biosensors Vol. 2, ed. O.S. Wolfbeis, CRC Press, Boca Raton, Chapter 17, pp. 217258, Fiberoptics immunosensors [4.11] Weeks, I.; Woodhead, J.S.; 1988, Trends Anal. Chem. 7 (2), pp. 55-58, Chemiluminescence immunoassays

49


[4.12] De Frutos, M.; Regnier, F.E.; 1993, Anal. Chem. 65 (1), pp. 17A-25A, Tandem chromatographic-immunological analyses [4.13] Mulder, W.H.; Stoks, P.G.M.; Hofman, J.A.; Rosmalen, F.M.A.; 1991, H 2 O 24 (3), pp.56-59, Toepassing van de immunochemie in het waterkwaliteitsonderzoek: immunoaffiniteitschromatografie en ELISA van triazines in het oppervlaktewater [4.14] Van Duijn, C ; Rhemrev, M.M.; Van Veen, J.J.F.; 1993, TNO-report IMW-R 93/029, Time Integrated Water Analysis System (TIWAS) [4.15] Capitan-Valivey, L.F.; De! Olmo Iruela, M.; Avidad Casaneda, R.; Vilchez Quero, J.L.; 1993, Anal. Lett. 26 (11), pp. 2443-2454, Determination of benzo(a)pyrene in water by synchronous fluorimetry following preconcentration on sephadex gels [4.16] Carr, J.W.; Harris, J.M.; 1988, Anal. Chem. 60 (7), pp. 698-702, In situ fluorescence detection of polycyclic aromatic hydrocarbons following preconcentration on alkylated silica adsorbents [4.17] Zhu, C; Hieftje, G.M.; 1990, Anal. Chem. 62 (19), pp. 2079-84, Feasibility of using liquid crystals for the development of molecularly selective fiberoptie chemical sensors [4.18] Agudo, M.; Rios, A.; Valcarcel, M.; 1993, Anal. Chem. 65 (20), pp. 2941-2943, Continuous liquidliquid extraction for preconcentration with on-line monitoring [4.19] Karlberg, B.; 1988, Fresenius Z Anal. Chem. 329, pp. 660-662, Flow injection extraction in theory and practice [4.20] Tran, CD.; Zhang, W.; 1990, Anal. Chem. 62 (8), pp. 835-40, Luminescence detection of rare-earth ions by energy transfer from counteranion to crown ether-lanthanide ion compiexes

50


5 Absorptietechnieken

In Hoofdstuk 5 komen op absorptie gebaseerde analysetechnieken aan de beurt. Naast een overzicht van de analytische toepassingen wordt ook ingegaan op remote detectie en andere sensorontwikkelingen. Absorptiespectroscopie is het onderwerp van §5.1, terwijl de §5.2, §5.3 en §5.4 gaan over optische technieken waarmee de absorptie indirect bepaald kan worden. Het gaat om fotoakoestische spectroscopie, optothermische spectroscopie en fotopyroelektrische spectroscopie, die respectievelijk in §5.2, §5.3 en §5.4 aan bod komen. Elke paragraaf in Hoofdstuk 5-8 heeft dezelfde opbouw en bevat subparagrafen over het principe van een optische techniek, de analytische toepassingen, sensorontwikkelingen en over onderzoeksgroepen in West-Europa die onderzoek doen aan analytische toepassingen of sensorontwikkelingen van een techniek. 5.1 Absorptiespectroscopie Absorptiespectroscopie is een eenvoudige maar veel gebruikte analytische techniek, waarvoorveel kleuringsreacties zijn ontwikkeld om metalen, nutriënten en organische verbindingen te detecteren. In deze studie wordt vooral aandacht besteed aan toepassingen die automatiseerbaar zijn en aan sensoren. Daarom ligt de nadruk in deze paragraaf sterk op flow-injectie analyse (FIA) met absorptiedetectoren en op sensorontwikkelingen. principe

De absorptie van een oplossing wordt bepaald door de transmissie te meten. De absorptie bij een specifieke golflengte is karakteristiek voor een verbinding en recht evenredig met de concentratie van die stof. Als meerdere verbindingen in een oplossing absorberen bij dezelfde golflengte, dan dragen alle verbindingen bij aan de absorptie. De bijdrage van een verbinding hangt af van de concentratie en de absorptiecoëfficiënt bij die specifieke golflengte. De selectiviteit is dus klein, maar kan vergroot worden door bij meerdere golflengtes de absorptie te bepalen. Met matrixberekeningen en multilineaire regressietechnieken is het dan mogelijk om de concentraties te berekenen [5.1]. analytische toepassingen

Veel organische verbindingen absorberen sterk in het IR (infrarood) en zijn door hun moleculaire fingerprint in het !R te onderscheiden. Omdat water ook absorbeert in het IR zijn met IR-absorptiespectroscopie lage detectielimieten (sub-ppm) nauwelijks mogelijk in het oppervlaktewater. Met vloeistof-vloeistofextractie in een geschikte organische vloeistof zijn lagere detectielimieten wel haalbaar [5.2]. Dit komt omdat de achtergrondabsorptie van de meeste organische oplosmiddelen kleiner is dan van water en omdat de meeste organische verbindingen door extractie minstens met een factor tien geconcentreerd kunnen worden. In het zichtbare en UV gebied is water transparant, waardoor de achtergrondabsorptie klein is. Omdat ook de meeste verbindingen en ionen in het zichtbare gebied nauwelijks absorberen, zijn tal van kleuringsreacties ontwikkeld, waarbij reagentia een complex vormen met een verbinding of ion waarvan de absorptie (of fluorescentie) wel

51


bepaald kan worden. Bekende kleuringsreacties zijn onder andere de kleuring van nitraat met fenoldisulfonzuur (met een detectielimiet van 1 uM) en de molybdeenblauw methode, waarmee fosfaat op fjM-niveau gedetecteerd kan worden. flow-injectie analyse De meeste kleuringsreacties zijn irreversibel. Dat maakt ze over het algemeen weinig geschikt voor sensortoepassingen. Het is wel mogelijk om deze irreversibele kleuringsreacties toe te passen in flow-injectie systemen waarin reagentia steeds opnieuw gedoseerd toegevoegd kunnen worden. In Tabel 5.1 staat een aantal toepassingen van flowinjectie systemen met absorptiedetectoren. Flow-injectie systemen met andere detectoren, zoals fotothermische, fotoakoestische en fluorescentiedetectoren worden in andere paragrafen behandeld (zie §5.2, §5.3, §6.1 en §7.1). Bij flow-injectie analyse (FIA) wordt een monster waarvan het volume nauwkeurig bekend is, in een
52


sequentiële F1A parameters als stroomsnelheid, reagentiavolumes en reactietijden minder nauw dan bij stopped FIA [5.4]. De absorptiedetector in FIA kan sterk geminiaturiseerd worden door LED's als excitatiebron te gebruiken in combinatie met meetcellen waarbij volumes van 10uL [5.14] tot 1 nL [5,15] gerealiseerd zijn. Introductie van licht met optische fibers maakt remote sensing mogelijk [5.14]. Tegelijkertijd vindt de ontwikkeling van spectrometerdiodes plaats, waardoor detectie bij meerdere golfiengtes en het opnemen van complete spectra mogelijk wordt [5.16]. Tabel 5.1

Detectielimieten voor verschillende stoffen bepaald met absorptiedetectoren in flowinjectiesystemen, waarbij de indicatoren toegevoegd worden en niet geïmmobiliseerd zijn.

stof

detectielimiet
selectiviteit

referentie

(ppb)

2,4-DNPH 2-NPH

0,5 0,5

preconcentratie

{5.7]

preconcentratie

15.7]

4-NPH carofuran

0,5

preconcentratie

15.7] [5.8]

propoxur

0,5 0,5

preconcentratie + indicatorreacie

[5.8]

carbaryl

0,05

+ indicatorreacie

[5.8]

SDS

0,01

5

indicatorreactie

[5.12]

CcP*

0,25

[5.9]

K'

30 39

preconcentratie

1 !

Fe * Cr8*

-

1

0,01 -

0,7

0,006

0,3

0,016

Cu *

2

s-

0,1 0,1

!

SiO 3 '

extractie +

"

1 3.2

indicatorreactie

[5.10]

indicatorreactie

[5.3]

indicatorreactie

[5.3]

indicatorreactie

[5.3]

indicatorreactie

[5.18]

7,6

indicatorreactie

[5.18]

gaspermeatie

[5.6]

NH 4 *

0,05

0,8

NO2

0,001

0,046

indicatorreactie

[5.17]

0,001

0,062

indicatorreactie

[5.17]

NO3' [5.7]

2,4-DNPH is 2,4-dinitrofenylhydrazine; 2-NPH is 2-nitrofenylhydrazine; 4-NPH is 4-nitrafenylhydrazine; in-situ preconcentratie op gealkyleerd silica gevolgd door UV absorptledetectie van de drie verbindingen.

[5.81

De verschillende carbamaten zijn na omzetting in de overeenkomstige fenolen gecomplexeerd met een azo-gesubstitueerde verbinding voordat de absorptie bepaald is.

[5.12]

SDS is de detergent natriumdodecylsulfaat. Na on-line vloeistofvloeistofextractie en een kleuringsreactie vindt de absorptie plaats.

[5.9]

Cd ! * vormt een complex met iodide, dat adsorbeert op een harskolom in de detector. Na injectie van de indicator PAR volgt kleuring en kan de absorptie bepaald worden.

[5.10]

Na vloeistof-vloeistofextractie met kroonethers en een kleuringsreactie met een azo-verblndlng is de absorptiebepaling uitgevoerd.

[5.3]

Detectie van Fe'* als complex met 1,10-phenanthroline; detectie van Cr6* als complex met bathocuproine; detectie van Cu 1 * als complex met difenylcarbazide; bij elke bepaling worden interferende ionen in-situ verwijderd.

[5.18]

S'- is gekleurd met de methyleen-blauw methode; SiO 3 I ' met de molybdenumblauw methode.

[5.6]

Na toevoegen van een base diffundeert het gevormde N H 3 door een teflonmembraan naar een detector.

[5.17]

Na een kleuringsreactie met sulfanilamide ontstaat een gekleurde azoverbinding, waarvan de absorptie bepaald wordt.

Een aantal bepalingen zijn vanaf schepen met analyzers op zee uitgevoerd [5.17, 5.18]. Meteen geminiaturiseerde absorptiedetector (met een LED als excitatiebron) zijn detectielimieten van 1 uM haalbaar voor sulfide en silicaat in zeewater. Opvallend was daarbij de grote

53


invloed van temperatuur en de druk op de absorptiemetingen [5.18], Het nadeel van de geringe stabiliteit van reagentia vormde bij deze toepassingen op zee geen probleem omdat de reagentia elke dag ververst konden worden. Voor stand-alone toepassingen vormt de stabiliteit wel een probleem omdat metingen een aantal weken zonder verversing van chemicaliën moeten kunnen doorgaan. Dit is namelijk een belangrijke reden waarom er nog maar een zeer klein aantal standalone analyzers voor op zee op de markt zijn, waarin coloriemetrische reacties toegepast worden. immunoassays (BUSA's) Het is mogelijk om antiüchamen te produceren, die zeer selectief en met grote affiniteit bindingen vormen met kleine organische moleculen, zoals pesticiden (zie §4.4). Bij enzymassays fungeren de enzymen ais label. De enzymen zetten een substraat dat toegevoegd wordt, om in een gekleurd reactieprodukt waarvan de absorptie bepaald kan worden. Omdat de enzymlabels binden met de antilichamen die niet met een pesticidemolecuul binden, is de absorptie omgekeerd evenredig met de hoeveelheid gebonden pesticide [5.19]. ELISA's (Enzyme Linked ImmunoSorbent Assay) op basis van geïmmobiliseerde antilichamen, worden het meest toegepast voor de detectie van pesticiden. Voor veel pesticiden zijn antilichamen ontwikkeld, die vaak commercieel verkrijgbaar zijn [5.19, 5.20]. Een lijst met commercieel verkrijgbare antilichamen staat in Bijlage B. Voor gebruik op locatie is het aantal stappen van het assay verminderd en is de snelheid waarmee het assay uitgevoerd kan worden, belangrijk [5.20]. Met flow-injectie-analyse is het mogelijk om de verschillende stappen, waarbij reagentia toegevoegd worden en na incubatie de overmaat weggewassen wordt, te automatiseren [5.21]. Met ELISA's zijn onder andere voor triazine-herbictden detectielimieten op pptniveau haalbaar, zowel met synthetische monsters [5.22, 5.23], als ook met oppervlaktewatermonsters [5.24, 5.24A], sensorontwikkelingen Bij het onderzoek naar op absorptie gebaseerde optochemische sensoren kunnen verschillende ontwikkelingen onderscheiden worden: - optische enzymsensoren, - fiber optochemische sensoren (FOCS) gebaseerd op conventionele indicatoren, - optochemische sensoren op basis van ionoforen en chromo-ionoforen, - geïntegreerd optochemische sensoren waarbij het mogelijk is om lichtbron, absorptiedetector en chemische selectorlaag op een optische chip te integreren. Absorptiesensoren worden vooral toegepast bij de detectie van ionen, zoals te zien is in Tabel 5.2 die een aantal toepassingen met detectielimieten op uM-niveau weergeeft. Optochemische sensoren voor ionen worden ook wel opt(r)odes genoemd, een samentrekking van het analogon optische elektrode. enzymsensoren Als het produkt van een enzymreactie spectrometrisch detecteerbaar is, kunnen enzymen voor de gewenste selectiviteit zorgen [5.25, 5.26]. Toch richt het onderzoek naar enzymsensoren zich nauwelijks op de detectie van verontreinigingen in water omdat enzymen de meeste verontreinigingen niet kunnen omzetten. Dit komt doordat veel organische verontreinigingen xenobiotische verbindingen zijn. Meer onderzoek vindt plaats naar detectie in biologische, medische en biotechnologische toepassingen. Daar gaat het om de detectie van organische verbindingen die wel specifiek door enzymen omgezet

54


kunnen worden in een medium waarin enzymen beter functioneren [5.26], Wel is het mogelijk om sommige (onnatuurlijke) pesticiden die een enzymreactie remmen, te detecteren door de enzymactiviteit te bepalen (zie §3.3 en §5.4). Tabel 5.2 Detectielimieten voor verbindingen die met op absorptie gebaseerde sensoren gedetecteerd zijn.

detectielimiet

stof

(uM)

CNHSO3-

bereik (M)

selectiviteit

referentie

(ppb)

0,5

13 6x10 1

76

10-M0-'

gaspermeatie +

[5.29]

7,6x105-0,1

indicatorreactie co-extractie +

[5,50]

chromo-ionofoor NO 3 '

200

1200

Ncy

1

68

10M0- 1

ionofoor + co-extractie

[5-47]

ionofoor +•

[5.48]

co-extractie NH4'

10

170

10s-0,03

gaspermeatie +

[5.33]

indicatorreactie NH 4 * NH 4 *

K' K* Ca1*

3 10 500

50 170 30.000 0,8

0,02

10

4000

3X106-3X105

chromo-ionofoor

[5.39]

10*-10 J 0,001-0,1 10-8-0,01

ion-exchange

[5.44]

chromo-ionofoor

[5.38]

ion-exchange

[5.45]

10-5-0,1

chromo-ionofoor +

[5.46]

ion-exchange Cd'*

"20-500

19 '

chromo-ionofoor

[5.51]

ion-exchange Pb!*

0,0000032

0,0006

5x10'-5x1O3

ionofoor +

[5.43]

ion-exchange

Hg'

1,5

300 0,010

atrazine

10

TNT [5.29]

2x106-2x10-6 0,02-4 ppb

indicatorreactie

[5.31]

immunoassay

[5.22]

indicatorreactie

[5.301

Complexering van CN' met aquocyanobinamide, een derivaat van vitamine B<| 2'< permeatie van HCN is pas mogelijk bij een pH van 8 hebben terwijl voor de complexering van CN een pH van 10,3 nodig is.

[5.50]

HSO4- bindt reversibel met benzaldehyde; de co-extractie van een H* zorgt voor een detecteerbare absorptieverandering.

[5.47]

De nitraatselectieve ionofoor (een derivaat van nikkel(U)phenantroline) en gemodificeerde H'-indicator (gebaseerd op bromocresol purple) zitten in de bulk van het PVC-membraan; detectie gebeurt bij gebufferde p H .

[5.48]

Co-extractie van nitraat en proton in buikmembraan van PVC bij een constante

[5.33]

Er zijn twee H'-indicatoren gebruikt nl. chlorofenol red (pK a =6,1) en

pH van 5; interferentie van chloride, chloraat, thiocyanaat en perchloraat.

bromothymol blue (pK a =7,1); reagentia worden omgeven dooreen gaspermeabel teflonmembraan. [5.39]

De indicator bromophenolblue is geïmmobiliseerd in het membraan waarna meting bij (fosfaat)gebufferde pH plaatsvindt; blcarbonaat, acetaat en citraat interfereren.

[5.44]

H'-indicator en selectieve ionofoor zitten in de bulk van het PVC-membraan;

[5.51]

Cd J * bindt selectief met een porfyrineverbinding; de co-extractie van een C l \ dat

[5.43]

Als Pb ! * een complex vormt met de selectieve ionofoor in het PVC-membraan,

meting bij pH=7,35.

bindt met een detergent, resulteert in een detecteerbare absorptieverandering.

wordt de indicator gedeprotoneerd en niet selectieve bindingsplaatsen voor anionen opgevuld om het geheel neutraal te houden; meting bij pH=5,7; interferentie van Cd 1 * en Cu ! *. [5.31]

Hg ! * vormt een complex met bathocuprolne (2 r 9-dimethyl-4,7-difenyl-i ,10phenanthrollne); afspoelen met 1 M HNO3 regenereert de indicator.

[5,22]

In de ELISA wordt een peroxidase-enzym gebruikt; absorptiemetingen vinden

55


plaats met een speciale spectrometer. [5.30] Detectie van TNT (trinitrotolueen) is mogelijk ha een kleuringsreactie met een polyoxy-ethyleen-amine.

absorptiesensoren met conventionele indicatoren In de literatuur zijn tal van optodes beschreven op basis van conventionele kleurreacties, waarbij de absorptieverandering gedetecteerd wordt [5.27, 5.28, 5,29, 5.30, 5.31]. De complexvorming van de indicator en het ion resulteert in een kleurverandering die afhangt van de ionconcentratie en daarmee een maat vormt voor de ionconcentratie. Hoewel kleuringsreacties in een sensor in principe reversibel horen te zijn {anders is er sprake van een probe in plaats van een sensor), zijn ook toepassingen bekend waarbij de reagentia ververst worden. Als de consumptie van reagentia laag is en bijvullen van de chemicaliën nauwelijks nodig, dan heeft zo'n toepassing toch sensorpotentie [5.32], Het kleurreagens kan geïmmobiliseerd worden op de tip van een fiber, maar ook afgeschermd zijn door een membraan. Verbindingen moeten dan eerst door het membraan diffunderen (gaspermeatie), voordat de kleurreactie kan plaatsvinden. Isolatie door gaspermeatie met een membraan levert selectiviteit op. Dit is toegepast bij gaspermeabele membranen voor de detectie van opgeloste gassen als HCN [5.29], NH3 [5.33] en CO2 [5.32] in water. Vaak worden HMndicatoren toegepast in optodes. Deze zuur-base indicatoren veranderen van kleur nadat protonering of deprotonering heeft plaatsgevonden. Zo kunnen stoffen met basische/zure eigenschappen, zoals NH//NH 3 [5.33] en HCO37CO2 [5.32] gedetecteerd worden. Het is wel belangrijk om een zuur-base indicator te selecteren met de juiste zuurconstante [5.34], Voor metaalionen zijn tal van indicatoren bekend uit de bestaande coloriemetrie, hoewe! de meeste indicatoren beperkingen hebben voor sensorapplicaties [5.34]: -door een gebrek aan selectiviteit; indicatoren kunnen vaak met meerdere metaalionen een complex vormen, -doordat indicatoren vaak met protonen kunnen reageren, waardoor de complexvorming afhankelijk van de pH wordt. -omdat metaal-ligand complexen meestal niet voorkomen in een 1:1 verhouding waar in een verhouding van 1:2 of 1:3. Immobilisatie van de indicator kan daardoor de complexvorming bemoeilijken of zelfs onmogelijk maken. absorptiesensoren met ionoforen of chromo-ionoforen lonoforen vormen wel selectief en reversibel een 1:1-complex met metaalionen of anionen. Deze moleculen worden tegenwoordig in het laboratorium ontworpen (molecular engineering) en vervolgens gesynthetiseerd, waarbij de ruimtelijke structuur en elektrostatische interacties bepalend zijn voor de selectiviteit. De ontwikkeling van nieuwe ionoforen en chromo-ionoforen is een vakgebied dat momenteel sterk in ontwikkeling is [5.35, 5.36, 5.37, 5.38]. Chromoforen zijn reversibele moleculaire indicatoren die van kleur veranderen na vorming van een complex. Door ze te koppelen aan ionoforen wordt de selectiviteit van de ionoforen optisch detecteerbaar. Deze verbindingen heten chromo-ionoforen. Vaak worden H+indicatoren gekoppeld aan ionoforen. Als de ionofoor een (metaal)ion heeft ingevangen, wordt de (gebonden) indicator gedeprotoneerd en verandert deze van kleur. Chromo-ionoforen worden vaak geïmmobiliseerd in een membraan of op het uiteinde van een fiber [5.38, 5.39]. De ionsterkte van de oplossing, de oppervlaktepotentiaal en vaak ook de pH spelen een rol in

56


het responsgedrag van de sensor [5.40, 5.41]. Een andere methode voor optodes, ontwikkeld op de ETH in Zürich, is een voortzetting van het ETH-onderzoek naar ion-selectieve elektrodes (ISE's). Bij deze methode zijn de chromofore indicator (vaak een zuurbase indicator) en de ionofoor aan elkaar gekoppeld via co-extractie of ion-exchange mechanismen, waardoor het niet nodig is om beide moleculen chemisch te binden [5.42]. Deze optodes heten ook wel bulkoptodes omdat indicator en ionofoor beiden niet geïmmobiliseerd zijn, maar vrij in het membraan kunnen bewegen, Zowel ionofoor als indicator zijn in hoge mate hydrofoob (gemaakt) en hebben daarom een sterke voorkeur om in het eveneens hydrofobe membraan te blijven. Bij het ion-exchange mechanisme vormt de ionofoor in het membraan een complex met een cation dat vanuit de oplossing in het membraan komt en een positieve lading heeft. De indicator moet nu een proton afstaan dat in de oplossing gaat om het membraan neutraal te houden. Met dit principe zijn onder andere voor Pb3t [5.43], NrV [5.44], K* [5.46] en Ca2t [5.46] submicromolaire detectielimieten bereikt (zie Tabel 5,2). Voor de detectie van anionen wordt co-extractie toegepast in plaats van het ion-exchange mechanisme. Als de ionofoor een complex vormt met een anion wordt, vindt co-extractie van een cation plaats om de neutraliteit te handhaven. Vaak wordt een H+-indicator toegepast die dan geprotoneerd wordt. Dit is onder andere toegepast bij de detectie van anionen NO3' [5.47, 5.48, 5.49] en HSO/[5.50], maar ook bij het cation Cd2* [5.51] waarbij co-extractie van Cl' plaatsvindt. Bij de bulkoptodes voor cationen op basis van het ion-exchange mechanisme speelt, behalve de activiteit van het ion dat een complex vormt met de ionofoor ook de activiteit van het ion dat een evenwicht vormt met de indicator een rol bij de sensorrespons. Als de activiteit van één van de ionen verandert, dan kan dit de ligging van de verschillende evenwichten veranderen en daarmee ook de waarde die de sensor uitleest [5,52], Voor co-extractie geldt min of meer hetzelfde: de meetwaarde geeft informatie over het produkt van beide ionactiviteiten en daarmee over de activiteit van het zout of zuur [5.42]. Dit betekent dat de activiteiten van beide ionen gekoppeld zijn in de sensorrespons [5.42, 5.44]. Voor zuur-base indicatoren geldt dat de pH constant moet blijven of dat hiervoor gecorrigeerd moet worden. Daardoor krijgt H+ de rol van referentie-ion waarvan de activiteit bekend moet zijn, voordat de activiteit van het metaalion bepaald kan worden. Hiermee vervalt het grote voordeel van dit type membraanoptode ten opzichte van ionselectieve elektrodes, namelijk dat er geen referentie nodig is [5.52]. Met het effect van binnendringend water op de activiteit van het metaal-ionofoorcomplex, de indicator en de ionofoor in het membraan wordt in de huidige toepassingen weinig rekening gehouden. Toch kan deze invloed aanzienlijk zijn [5.52]. Dit neemt niet weg dat de progressie in de ontwikkeling van nieuwe en betere ionoforen en chromo-ionoforen aanzienlijk is, Maar het maakt ook duidelijk dat voor de toepassing van chromo-ionoforen nog een aantal problemen opgelost moeten worden. geïntegreerd optochemische sensoren De ontwikkeling van geïntegreerd optochemische sensoren gaat snel. Hoewel bij vee! toepassingen de absorptieverandering gedetecteerd wordt, gaat het in bijna alle gevallen om absorptie van het evanescente veld. In Hoofdstuk 8 wordt hier dieper op ingegaan.

57

Rijksinstituut voor Kusten Zee

onderzoeksgroepen (in Europa)

absorptiesensoren - Dept of Anal. Chem., Fac. of Sciences, University of Cordoba, Cordoba, Spain <M.D. Luque de Castro, M. Valcarcel). - Laboratorium für Organische Chemie, Eidgenössische Technische Hochschule (ETH), Zürich, Schweiz (M. Kuratli, B. Rusterholz). - Institutfür Radiochemie, Kenforschungszentrum Karlsruhe GmbH, Karlsruhe, Deutschland, (J. Reichert, HJ. Ache). - Dept. of Instrumentation and Analytical Science, UMIST, Manchester, UK, (R. Narayanaswamy) antilichamen voor pesticiden - Lehrstuhl für Botanik, Technische Universitat München, München, Deutschland, (B. Hoek) 5.2 Fotoakoestische spectroscopie

Met fotoakoestische spectroscopie of PAS (PhotoAcoustic Spectroscopy) kunnen zeer lage absorpties gemeten worden. Van deze eigenschap wordt gebruik gemaakt bij het detecteren van kleine concentraties gassen in de atmosfeer. Met CC>2-\asers waarvan de emissie in het infrarood ligt (9-11 |jm), is het mogelijk om tal van organische verontreinigingen op ppbv-niveau in de atmosfeer te detecteren [5.53]. Ook in water is het mogelijk om met PAS lage concentraties opgeloste stoffen (< 1 uM) te detecteren. principe Bij PAS valt licht, of beter gezegd elektromagnetische (EM) straling, op een monster, dat een deel van de straling absorbeert. Daardoor gaan moleculen naar een aangeslagen toestand. De geabsorbeerde energie kan vrijkomen door stralingsloos verval ten gevolge van moleculaire botsingen. Daardoor stijgt de temperatuur, wat gepaard gaat met een kleine drukverandering. Deze drukverandering wordt in vloeistof-PAS meestal gedetecteerd met een piëzo-elektrisch element, dat de drukverandering omzet in een elektrisch signaal [5.54]. Het fotoakoestische signaal is bij kleine absorpties lineair met de concentratie van de absorberende stof en met het vermogen van de lichtbron. Daarom worden gepulste lasers, die tijdens de pulsduur hoge vermogens leveren, veel gebruikt als lichtbron in vloeistof-PAS. Het fotoakoestische signaal dat ontstaat in de laserbundel, breidt zich uit met de snelheid van het geluid. Door het signaal alleen te registreren gedurende de korte tijdsduur als de fotoakoestische puls de piëzodetector bereikt, verbetert de signaai-ruisverhouding (S/N ratio) aanzienlijk. Dit wordt 'gated' detectie genoemd. Bij CW-lasers wordt de laserbundel met een vaste frequentie amplitudegemoduleerd. Het fotoakoestische signaal wordt geanalyseerd in het frequentiedomein bij één of meerdere frequenties. Signalen met andere frequenties (o,a. ruis) kunnen met bandpass-filters onderdrukt worden [5.54]. Dit gebeurt onder andere met lock-in versterkers. analytische toepassingen

PAS heeft een aantal voordelen boven conventionele absorptiespectroscopie (AS): - PAS is een factor 100 a 1000 gevoeliger waardoor kleinere absorpties gedetecteerd kunnen worden. - met PAS worden strooilicht en reflecties niet gedetecteerd omdat ze niet bijdragen aan het signaal. -daardoor is het mogelijk om van colloïdale oplossingen, dunne films en geadsorbeerde verbindingen de absorptie te meten.

58


PAS heeft hetzelfde nadeel als gewone absorptiespectroscopie, namelijk een geringe selectiviteit. Andere stoffen, die bij dezelfde golflengte ook (enigzins) absorberen, zullen daarom snel interfereren in het signaal waardoor de gevoeligheid weer afneemt. Meten bij meerdere golflengtes, gecombineerd met bijvoorbeeld multi-regressie-analyse, vergroot de selectiviteit. Dit is echter geen adequate oplossing voor insitu detectie van verontreinigingen in een complexe matrix zoals het oppervlakte- of zeewater. Bij de fotoakoestische detectie van verontreinigingen in water worden vooral lasers gebruikt die in het zichtbare en ultraviolette (UV) deel van het spectrum emitteren. Daar absorbeert water nauwelijks, in tegenstelling tot in het IR waar de absorptie van water aanzienlijk is. Infrarood lasers, zoals bijv. CO2-lasers, veel toegepast voor de detectie van atmosferische verontreinigingen, worden daarom nauwelijks gebruikt voor analytische toepassingen in water. Hoewel veel organische verontreinigingen in het IR sterk absorberen en een zeer karakteristiek IR absorptiespectrum bezitten, is de achtergrondabsorptie van water te groot om sub-ppm detectietimieten te halen. Daarom beperken de analytische toepassingen van PAS zich voornamelijk tot de detectie van metaalionen, die via een geschikte kleuringsreactie omgezet kunnen worden in een complex dat in het zichtbare gebied absorbeert. Detectielimieten met fotoakoestische spectroscopie zijn in het algemeen enkele orders van grootte lager dan met overeenkomstige conventionele absorptiespectrometrie [5.55, 5.56, 5.57, 5.58]. In Tabel 5.3 staan een aantal toepassingen. De meeste detectielimieten zijn bepaald met gezuiverde stoffen en oplosmiddelen, waardoor interferentie van andere stoffen geminimaliseerd is. Ook vallen de meeste detectielimieten buiten het bereik waarin het signaal lineair is met de concentratie. Uranium en andere actiniden kunnen zonder kleuringsreactie uit de coloriemetrie tot 0,1 uM gedetecteerd worden, waarbij onderscheid gemaakt kan worden tussen de verschillende valenties [5.59, 5.60], Daarom wordt PAS beschouwd als een veel belovende analysetechniek voor de in-situ detectie en specificatie van actiniden in grondwater. De onderzoeksbelangstelling voor de detectie van de actiniden met PAS is groot, omdat actiniden als radioactief tussenprodukt ontstaan in nucleair afval [5.61, 5.62, 5.63, 5.64]. Een nieuwe ontwikkeling in vloeistof-PAS is het adsorberen van reagentia op vaste stoffen, zoals ook in ionenwisselaars toegepast wordt [5.65, 5.66, 5.67], Preconcentratie treedt op aan het oppervlak als complexering van reagentia en verontreiniging optreedt. Hierdoor kunnen stoffen bij nog lagere concentraties gedetecteerd worden. In [5.66] wordt een reversibele ionenwisselaar met flow-injectie analyse beschreven waarmee 0,33 ppb Fe2t gedetecteerd kan worden. Interferentie van andere ionen is gering; de invloed van de saliniteit is groter. De indicator is geadsorbeerd aan sephadex gelkorrels en reageert selectief met de Fe'Monen. Een desorptievloeistof maakt de meting herhaalbaar, hoewel geen gegevens over de stabiliteit van de reagentia over langere tijd gegeven worden. Fotoakoestische detectie is volgens de auteurs in deze toepassing niet gevoeliger dan absorptiespectrometrie. Wel is de fotoakoestische meetcel eenvoudiger, omdat lichtreflecties niet geminimaliseerd hoeven te worden. Met PAS worden reflecties immers niet gedetecteerd. In [5.65] wordt met PAS de hoeveelheid kwik selectief bepaald door het metaal eerst te iaten reageren met de indicator dithizon en vervolgens gebruik te maken van fotochromisme. Fotochromisme is een reversibele verkleuring, die sommige verbindingen ondergaan als er licht op valt. Hoewel ook andere metalen een complex vormen met dithizon, is het Hg2*-dithizoncomplex de enige verbinding die fotochromisme vertoont

59


in vaste vorm. Daarom is de indicator geïmpregneerd in kleine polystyreen latex bolletjes, waarin de complexvorming met Hg2+ ongehinderd plaatsvindt. Door periodiek licht op het gevormde complex te laten vallen wordt de absorptiecoëfficiënt gemoduleerd, waardoor het fotoakoestische signaal ook periodiek verandert. De signaalverandering is lineair met de hoeveelheid kwik. Als deze methode te combineren valt met een detectieschema zoals beschreven in [5.68], kan in-situ gemeten worden. Als bovendien de reactie van Hg2* en dithizon reversibel of regeneerbaar is, kan dit detectieprincipe toegepast worden in een analyzer. Detectie van VOC's en pesticiden met PAS is in water nauwelijks gedaan en heeft slechts 1 referentie opgeleverd [5.69]. Dit komt omdat de meeste VOC's en pesticiden kleurloos zijn en het karakteristieke IRspectrum in water niet bruikbaar is. Een aantal VOC's en pesticiden absorberen wel in het UV, maar deze eigenschap valt moeilijk toe te passen bij in-situ bepalingen omdat ook humuszuren in het UV absorberen waardoor de achtergrondabsorptie hoger wordt.

Tabel 5.3 Enkele stoffen waarvan detectielimieten in vloeistoffen met fotoakoestische spectroscopie (PAS) bepaald zijn (cw staat voor continue excitatie en p staat gepulste excitat(e).

verbinding

detectielimiet (uM)

Se'*

selectiviteit

lichtbron

Ar*-laser (cw) Ar-laser (cw) Ar*-laser (cw) dye-laser (p) dye-laser (p) dye-laser (p) dye-laser (p) dye-laser (p) dye-laser (p) HeNe-laser (cw) dye-laser (p) dye-laser (p) dye-laser (cw)

[5.55] [5.56] [5.57] [5.59] [5.59] [5.59] [5.59] [5.60] [5.71] [5,58] [5.69] [5.69] [5.65]

Nd;YAG (p)

[5.66]

0,065

15

indicatorreactie

0.2 0,02 0,8 0,07

20 2,5 190 16

indicatorreactie " ' spectraal

Pu 6 * Am a * 2M 4 U * Pr3* PO 4 3 ' 2,4-dinitrofenol anthraceen

0,03 0,02 0,8 8 1,0 0,05 0,02

7 , 5 190

Hg1*

0,00025

0,5

Feu

0,0059

0,330

C&> Te "V6* ™Pu4< a9

M1

referentie

(ppb)

96 10 103

spectraal spectraal indicatorreactie spectraal spectraal extractie + indicatorreactie indicatorreactie

[5.56]

Detectie van Se4' Is uitgevoerd na een kleuringsreactie met difenylhydrazine en extractie van het gevormde complex In chloroform, De bepaling met PAS is uitgevoerd na een kleuringsreactie met dithlzonaat en

[5.57J [5,59]

extractie van het gevormde complex in chloroform. De detectie met PAS is in een colloïdale Te-oplossing uitgevoerd. Alle bepalingen zijn uitgevoerd in synthetisch grondwater, waarvoor een

[5.55]

[5.60] [5.71] [5,58] [5,69] [5.65] [5.66]

oplossing van 0,1-1 M HCIO4 is gebruikt. Alle bepalingen zijn in 1 M HCl uitgevoerd, Alle bepalingen zijn in 0,2 M HCIO4 uitgevoerd. Voor de kleuring van fosfaat is de molybdeen-blauw methode gebruikt. De detectie van anthraceen is in hexaan uitgevoerd; de detectie van 2,4dinitrofenol is in water uitgevoerd. Detectie met PAS is uitgevoerd nadat Hg1* een complex gevormd heeft met de indicator dithizon, die geïmpregneerd is in latex bolletjes De phenanthroline-indicator, die geïmmobiliseerd is op gelkorrels in een flowinjectiesysteem, vormt een gekleurd complex met Fe1* waarvan de absorptie met PAS bepaald kan worden.

60


sensorontwikkelingen

In de literatuur zijn weinig voorbeelden bekend van sensoren gebaseerd op PAS in vloeistoffen. Wel is het mogelijk om 1 uM Fe2t te detecteren met een geschikte kleuringsreactie en een optische fiber als druksensor [5.70]. De gegenereerde drukgolf beïnvloedt de propagatie van een lichtbundel door de fiber. Het veroorzaakte transmissieverlies, wordt gedetecteerd. Optische fibers worden gebruikt om op afstand te kunnen meten (remote spectroscopy) [5.69, 5.71], In [5.71] zijn 85 m lange fibers gebruikt om lanthaniden te detecteren, als voorbereiding voor experimenten met radioactieve actinidert [5.71]. Diodelasers, waarmee opstellingen veel compacter gemaakt kunnen worden, worden weinig toegepast in vloeistof-PAS. Alleen in [5.58] is voorgesteld om de 8 mW HeNe-laser te vervangen door een goedkope diodelaser voor de detectie van fosfaat met de molybdenumblauwmethode. Bij in-situ metingen moet rekening gehouden worden met de temperatuurafhankelijkheid van het fotoakoestische signaal in water. Als de watertemperatuur stijgt neemt het signaal toe [5.72, 5.64]. Als temperatuur van het water daalt, wordt het fotoakoestische signaal kleiner, waardoor de gevoeligheid afneemt [5.64]. onderzoeksgroepen PAS voor de detectie van adiniden - Institut für Radiochemie der TU München, (R. Klenzen en J.'l. Kim). PAS voor de detectie van pesticiden -Institut für Radiochemie, Kernforschungszentrum Karlsruhe, (W. Faubel en H.J. Ache). 5.3 Optothermische spectroscopie

Optothermische spectroscopie is een verzamelnaam voor een aantal aan elkaar verwante optische technieken waarmee detectie van kleine absorpties in zeer kleine volumes (nL) mogelijk is. Deze eigenschappen maken optothermische detectoren niet alleen geschikt voor toepassingen in scheidingstechnieken als capillaire elektroforese en capillaire chromatografie, maar ook om zeer lage concentraties opgeloste stoffen te detecteren, bijvoorbeeld in flow-injectiesystemen (FIA) [5.73, 5.74]. principe Bij optothermische technieken wordt {net als bij PAS) de hoeveelheid geabsorbeerde EM energie bepaald. De energie, die na relaxatie van aangeslagen moleculaire toestanden als warmte vrijkomt, veroorzaakt een dichtheidsverandering in het volume, waar de laserbundel door de vloeistof schiet. In het interactievolume verandert de brekingsindex, waardoor een optisch element ontstaat. Deze brekingsindexverandering volgt het Gausisch intensiteitsprofiel van de laserbundel en vertoont ook een Gausische curve. Afhankelijk van de experimentele configuratie kan het optothermische element lichtbundels afbuigen of defocuseren. De configuratie waarin de afbuiging gedetecteerd wordt heet Beam Deflection Spectroscopy (BDS) of Bundel Deflectie Spectroscopie. In Thermal Lensing Spectroscopy of Thermische Lens Spectroscopie (TLS) wordt de intensiteitsverandering van een lichtbundel door defocusering gedetecteerd (zie Figuur 5.1 A). Geïnduceerde optothermisch elementen kunnen aangeduid worden met termen uit de geometrische optica, zoals sferische lens, cylindrische lens, prisma en tralie [5.73], Belangrijk voor analytische toepassingen is dat het optothermische

61


signaal evenredig is met de concentratie (bij voldoende lage absorpties). Als de absorptie toeneemt, neemt de afbuiging of de defocusering toe. Thermische Lens Spectroscopie (TLS) In TLS wordt de defocusering van een lichtbundel gedetecteerd door de vermindering van de intensiteit met een fotodetector achter een pinhole of een diafragma te bepalen. In plaats van een pinhole of diafragma kan voor detectie ook een optische fiber gebruikt worden die gekoppeld is aan een fotodetector.

Figuur 5.1

Optothermische configuraties: thermische lens spectroscopie TLS CA) transfersale bundef deflectie spectroscopie (BDS) (B) thermisch tralie spectroscopie TCS (Q

thermische lens spectruscople (TLS)

diafragma

— laserbundel

transversale bimdeldeflectie spectroscopie (t-BDS) detectielaser

\5?posltiegevoelige ff detector

CB)

thermisch tralie spectroscopie (TCS) detectielaser

monster pinhole fotodiode

excitatielaser

(C)

Figuur 5.1 A toont de eenvoudigste ('single beam') configuratie, Een laserbundel defocuseert zichzelf na een thermische lens gegenereerd te hebben. De intensiteitsverandering in het midden van de bundei is gerelateerd aan de absorptie. Het is ook mogelijk om naast de esccitatiebundel die de thermische lens genereert, een tweede niet absorberende lichtbundel voor de detectie te gebruiken. Hierbij genereert de excitatiebundel de thermische lens die vervolgens de detectiebundet defocuseert. De detectiebundel kan samenvallen met de excitatiebundel, maar kan er ook loodrecht opstaan. In het laatste geval fungeert het optische element dat gegenereerd wordt als een cylindrische lens in plaats van als een sferische lens [5.75]. Hier wordt steeds over defocusering gepraat omdat de meeste vloeistoffen bij verhitting uitzetten, en een divergerende lens gevormd wordt [5.74]. Bundel Deflectie Spectroscopie (BDS)

62


Bij BDS is de detectlebundel klein ten opzichte van de exritatiebundeldiameter. De configuratie van de detectiebundel kan transversaal (loodrecht) of colineair zijn. Colineair houdt in dat de detectiebunde! de excitatiebundel uit het midden snijdt onder een hoek van enkele graden. In het interactievolume, waar de bundels elkaar snijden, wordt de detectiebundel door het optothermische prisma afgebogen. De afbuigings- of deflectiehoek is lineair met de absorptie van het monster en wordt meestal met een positiegevoelige detector bepaald. De transversale configuratie die in Figuur 5.1 B getoond wordt, is minder gevoelig dan de colineaire (col-BDS) omdat het interactievolume van beide bundels in de transversale configuratie kleiner is [5.76]. Thermisch tralie spectroscopie (TGS) TGS, dat staat voor Thermal Grating Spectroscopy, ontleent zijn naam aan dat een optothermisch tralie of volumehologram gevormd wordt. Dit is mogelijk als de excitatiebundel gesplitst wordt en de gesplitste bundels elkaar snijden, waardoor interferentie in het interactievolume optreedt (zie Figuur 5.1 C). Op de plaatsen waar beide bundels elkaar niet uitdoven maar juist versterken, verandert de brekingsindex na thermische relaxatie van geabsorbeerde energie. Daardoor ontstaat een ruimtelijk patroon van volume-elementen met een veranderde brekingsindex dat fungeert als een (thermisch) tralie. De tralie varieert met de absorptie en dus ook met de concentratie van de absorberende verbinding. Detectie gebeurt door de diffractié te meten van een niet absorberende laserbundel die het tralie snijdt onder de Bragg-hoek. Een verschil met andere optothermische technieken is dat de intensiteit van de detectiebundel na diffractié bij TGS niet lineair maar kwadratisch afhangt van de absorptie [5.77]. analytische toepassingen Voor analytische toepassingen kunnen optothermische technieken TLS en BDS het best vergeleken worden met andere (indirecte) absorptietechnieken als absorptiespectroscopie (AS) en fotoakoestische spectroscopie (PAS): - de gevoeligheid ten opzichte van AS is groter met een optothermische versterkingsfactor die vooral in organische oplosmiddelen grote waarden kan aannemen [5.74], - door focusering is detectie in zeer kleine volumes (<1 nL) mogelijk 15.75]. - in vergelijking met PAS kan daar aan toegevoegd worden dat vergelijkbare detectielimieten haalbaar zijn met goedkope en compacte lasers met laag vermogen. - in experimenteel opzicht zijn TLS en BDS ingewikkelder dan AS en PAS. - Net als AS en PAS zijn optothermische technieken weinig selectief. Daarnaast is het optothermische signaal temperatuurafhankelijk. Bij 3,2° C is het TLS-signaal in water een factor 20 kleiner dan bij 20°C. Bij 0° is het signaal in water zelfs afwezig omdat de brekingsindex van water dan maximaal is en de verandering in de brekingsindex daardoor nut wordt [5,78]. In experimenteel opzicht is optothermische spectroscopie ingewikkelder dan AS. Een eigenschap van TLS en BDS die van belang is bij analytische toepassingen, is de optothermische versterkingsfactor. Deze factor is evenredig met de brekingsindexverandering bij variërende temperatuur (dn/dT) en omgekeerd evenredig met de thermische geleidbaarheid k. Deze versterkingsfactor is voor apolaire oplosmiddelen, waarvan (dn/dT) groot is en de thermische geleidbaarheid klein, veel groter dan voor water. Water heeft namelijk een grote thermische geleidbaarheid en de brekingsindex verandert weinig bij verhitting. Daardoor is de versterkingsfactor voor CCI4 bijvoorbeeld een factor 40 groter dan voor

63


water. Dat betekent dat bij dezelfde absorptie het optothermische signaal veertig maal groter is in CCI4 dan in water. Bij F1A wordt van deze eigenschap gebruik gemaakt door drager-vloeistoffen te gebruiken die een grotere versterkingsfactor hebben en goed mengen met water [5.79]. Ook de ionsterkte beïnvloedt de sterkte van de thermische lens omdat de ionsterkte van invloed is op (dn/dT) en op de thermische geleidbaarheid. De versterkingsfactor wordt groter bij toenemende saliniteit, wat zelfs na extractie in een organische oplosmiddel merkbaar is [5.80], In media met micellen en omgekeerde micellen kan het optothermische signaal ook versterkt worden. Micellen bestaan uit organische verbindingen, die zowel een apolaire alkylketen als een polaire, meestal geladen, eindgroep bezitten. Zeep bestaat uit dit type verbindingen. In water vormen deze verbindingen boven een bepaalde concentratie aggregaten waarbij alle hydrofobe staarten bij elkaar gaan liggen, terwijl de hydrofiele eindgroepen aan de buitenkant komen, waar de kop in de waterfase blijft steken. Omgekeerde micellen ontstaan, als deze verbindingen in apolaire vloeistoffen opgelost worden. Dan komen de hydrofobe alkylstaarten aan de buitenkant en gaan de geladen eindgroepen in de kern zitten. Organische apolaire stoffen hebben een voorkeur om in micellen te gaan zitten en uit de waterfase te gaan. ionen en polaire stoffen hebben in apolaire oplosmiddelen een voorkeur voor het polaire milieu in omgekeerde micellen. Beide processen versterken het optothermische signaal [5.81, 5.82] omdat het volumedeel van water verkleind wordt waardoor de optothermische versterkingsfactor groter wordt. Bij toepassing van gepulste lasers is de versterkingsfactor aanzienlijk groter. Dit komt door het grote vermogen tijdens de korte pulsduur [5.83, 5.84]. Toch worden gepulste lasers weinig voor de detectie van opgeloste stoffen gebruikt, zoals te zien is in Tabel 5.4. Gepulste excitatie heeft door de korte tijdschaal als voordeel dat de thermische lens nauwelijks aangetast wordt door stroming. Detectie is bij stroomsnelheden boven de 1 m/s nog mogelijk [5.85]. Bij continue excitatie is de tijdsschaal waarop de thermische lens gevormd wordt veel groter waardoor het optothermische signaal al bij lage stroomsnelheden (vanaf 2 cm/s) sterk aangetast wordt [5.85, 5.83]. Voor TGS gelden ook de voordelen van gepulste excitatie [5,86, 5.87]. Het is mogelijk om haliden, als l2 en Br2 in tetra op uM-niveau en nafthaleen op nM-niveau te detecteren [5.88], TGS-experimenten zijn wel ingewikkelder dan andere optothermische technieken en worden, gezien het aantal publikaties, veel minder toegepast voor de detectie van opgeloste stoffen dan TLS en BDS. TLS en BDS zijn in essentie absorptietechnieken die met name gevoeliger zijn dan AS. Daarom zijn uit de literatuur bekende kteuringsreacties veelvuldig toegepast om metaalionen [5.79, 5.89, 5.90, 5.84, 5,75] en nutriënten [5.91, 5.92, 5.93, 5.94, 5.95, 5.80] in zeer lage concentraties te kunnen detecteren, zoals Tabel 5.4 duidelijk maakt. Daarnaast is BDS toegepast als detectietechniek in een immunoassay voor eiwitten [5.96], De resultaten bij de detectie van nutriënten zijn in een aantal gevallen bereikt met goedkope en compacte excitatiebronnen zoals diode- en HeNe-lasers waarbij de gevoeligheid nog steeds aanzienlijk groter is dan bij AS [5.95, 5.91, 5.94]. Dit maakt duidelijk dat optothermische detectoren de gevoeligheid van bestaande analyzers voor nutriënten (op basis van kleurreacties) vergroten. Het nadeel is het chemicaliëngebruik en een probleem vormt vaak de beperkte houdbaarheid van reagentia en de voorwaarden voor een goede kleuringsreactie zoals pH en temperatuur. De detectie van gehydrateerd Cu2+ [5.97] en diverse actiniden [5.98] is uitgevoerd zonder kleurreactie, evenals de detectie van diverse

64


pesticiden met een UV excitatiebron [5.99]. Bij de laatste toepassing zal bij analyse van 'real world' monsters of bij in-situ bepalingen in het oppervlaktewater interferentie optreden door absorptie van onder andere humuszuren. Vergroting van de selectiviteit en detectie van meerdere componenten is mogelijk door bij verschillende golflengtes te meten [5.100]. Bij een A r laser die op meerdere laserfijnen tegelijkertijd emitteert (multimodeexcitatie), kunnen de verschillende golflengtes met een prisma gescheiden worden en afzonderlijk door een monster geleid worden [5.101]. Met matrixberekeningen en multilineaire regressieanalyse kan voor iedere golflengte een component gedetecteerd worden. Selectie van een golflengte bij multimode-excitatie kan ook door een akoestooptisch filter toe te passen. Zo'n filter laat afhankelijk van een elektrisch signaal slechts één golflengte door, waardoor alle golflengtes via dezelfde lichtweg en lenzen naar het monster geleid kunnen worden. Dit maakt het experiment veel eenvoudiger [5.102]. Tabel 5.4 Stoffen waarvan de detectielimiet met TLS of BDS is bepaald (f=fiber, p=gepulste excitatie, cw=continue excitatie).

stof referentie

detectielimiet

(uM)

oplosmiddel

configuratie

CCI 4 CCI4 "

TLS TLS TLS TLS TLS

(ppb)

Fe1*

0,0066

CU 1 ' Zn 2 '

2,4x10"' 3,1x10"

Ag" Cd 3 *

4,6x10" 3,6x10'

0,02 0,05 0,04

Hg 2 *

3,2x10" 1,9x10" 3,8x10'"

0,065

"

TLS (cw)

0,04 • 0,08

"

TLS (cw) TLS (cw)

Pb3* Bi 3 ' Cu 1 * Fe2* Co3* Bi3* Fe" Ni ! t Mo** Cu1* Porfyrine

0,05 0,3 2,9x10" 5x10 s 9x10" 1,5x10" 1x10* 0,03

0,37 0,015

3,2 17 0,017 0,01 0,05 0,009 0,01 2

ethanol water chloroform water acetaatbuffer ethanol/water methyl-ethylketon water chloroform

(cw) (cw) (cw) (cw) (cw)

TLS (cw) TLS (cw) TLS (cw) TLS (cw) TLS (cw) TLS (cw)

[5.79] [5.89] [5.89] [5.89] [5.89] [5.S9J [5.89] [5.89] [5.97] q182 [5.90] [5.90] [5.90] [5.90]

TLS (CW) TLS (p) TLS (p)

[5.90] [5.84] [5.84]

TLS (cw) TLS (cw)

C5.75] [5.98]

Fe1* Nd 3 *

0,001 0,3 0,2

17 30

Pu 3 *

0,04

10

TLS (cw)

10 20 20 1000

TLS (cw) TLS (CW)

[5.98] [5.98] [5.98]

TLS (cw) TLS (cw, f)

[5.98] [5.105]

BDS (CW,f) BDS (cw,f) BDS (cw,f) BDS (cw,f) BDS (CW) TLS (cw)

[5.99] [5.99] [5.99] [5.99]

[5.93] [5.94]

2-butanol

TLS (cw) TLS (cw) TLS (cw)

gebufferde opl.

BDS (cw)

Pu" Pu s ' Pu6* Nd3*

0,04 0,08

DNOC dinitrofeno! dinoseb dinosebacetaat

0,002 0,02 0,075 0,022

NH 4 ' NO 2 ] -

0,25 0,0002 5x10'

po4Jpcy-

0,08 7

PO43-

7x10-* 2x10'

PO43"

0,1

0,4 2 18 6

4,5 0,009 0,005 0,7 0,2 10

65

water/methanol 0,5 M HCIO4

" 0,01 M HCIO4 water » « fosfaatbuffer water/aceton water water

[5.91] [5.92]

[5.94] [5.95]


[5.79] [5.89]

De detectie Is uitgevoerd na complexering met 1,10-phenantholine in een FIAopstelüng. Alle bepalingen zijn uitgevoerd na complexering met de indicator dithizon en

[5,84]

extractie in CCI4. Pb1*-TmPyP (lood trakis(4-N-methylpyridylporphine-tetrat-p-toluenesulfonate)

[5.90]

wordt gebruikt als lonenwisselaar. Bepalingen zijn uitgevoerd na de volgende indicatorreacties: CoSl met 2-nitroso1-naphtol, Ni met a-dioximes, Mo5* met thiocyanaat, Fe met 1,10phenarrthroline, Bi met iodide.

q182 [5.92]

De detectie is uitgevoerd na complexering met een phenanthroline-verbinding. De detectie is uitgevoerd na complexering met een ethyleendiamine en een

[5.75] [5.99]

sulfanylamide. De detectie is uitgevoerd na complexering met 1,10-phenanthroline. Indicatorreacties zijn niet gebruikt: DNOC is 4,6-dinitro-o-cresol; 2-sec-butyl)-

[5.91] [5.93] [5.94] [5.95]

4,6-dinitrofenol; dinosebacetaat Is 2-(sec-buty!-4,6-dinitrofeno!acetaat Detectie na de kleuring volgens de heteropolyblauw-methode. De bepaling is uitgevoerd na toepassing van de molybdeen blauwmethode. De heteropolyblauw-methode is als kleurreactie gebruikt. De bepaling is uitgevoerd na kleuring met de molybdeen blauwmethode.

sensorontwikkelingen Opstellingen worden compacter en eenvoudiger door de introductie van diodelasers [5.94, 5.95] en optische fibers [5.103, 5.83, 5.104, 5.105, 5.106, 5.107]. Verschillende optothermische detectoren voor FIA zijn gerapporteerd [5.79, 5.108] hoewél dit niet de omvang heeft van het onderzoek naartoepassingenin capillaire elektroforese en vloeistofchromatografie. Sensortoepassingen van TLS en BDS zijn echter nog nauwelijks gerapporteerd in de literatuur. In BDS is het mogelijk om de deflectie te bepalen met twee parallelle optische fibers in plaats van een positlegevoelige detector. De verhouding van de intensiteit in beide fibers verandert bij deflectie van de detectiebunde! [5.106]. In [5.104, 5.103, 5.105] wordt de detectie van de intensiteitsverandering (ten gevolge van defocusering) uitgevoerd met een optische fiber die het pinhole vervangt waardoor detectie op afstand plaats kan vinden. In een vergelijkende studie bleek dat de transmissie-efficiëntie van multi-mode (MM) fibers beter is, maar dat het intensiteitsprofiel van de laserbundel nauwelijks nog een Gausisch karakter heeft. Bij een single-mode (SM) fiber is de transmissie veel lager maar blijft het Gausisch intensiteitsprofiel behouden waardoor de optothermische versterking groter is [5.104, 5.105]. In [5.99] zijn optische fibers gebruikt bij de detectie van pesticiden met col-BDS in het UV. Probleem hierbij is dat de verzwakking van de laserbundel toeneemt door de Raleigh-verstrooiing in de fibers. Raleigh-verstrooiing neemt immers met (k)™1 toe. Ook het gebruik van goedkope en compacte diodelasers als excitatiebron in optothermische technieken neemt toe. Het absorptiemaximum van het fosfomolybdeencomplex, dat gebruikt wordt bij fosfaatbepalingen, ligt dicht bij de emissiegolflengte van een diodelaser. Sub-ppb detectie van fosfaat met TLS [5.94] colineaire en col-BDS [5.95] is mogelijk. Diodelasers zijn ook geschikt als detectiebundel. Dit is toegepast bij sub-ppb detectie van ammonia na kleuring met indophenolblauw [5.91]. Terwijl TLS is toegepast na extractie van opgeloste lanthaniden met kroonethers [5.109], zijn optothermische technieken nog nauwelijks gecombineerd met selectieve membranen en chromoforen. De enige in de titeratuur gevonden toepassing van de optothermische detectie met een reversibele indicator, is de bepaling waarbij door de kleurverandering van een opgeloste indicator met TLS gedetecteerd is [5.110]. In principe is het mogelijk om optothermische detectie te

66


combineren met selectieve bulkoptodes, zoals beschreven in §5.1. Met gasdiffusiemembranen is bijvoorbeeld isolatie en detectie van VOC's in water mogelijk, zoals onder andere toegepast is in de Fujiwarasensor voor perm-gehalogeniseerde koolwaterstoffen (zie §6.1) en in cyanideprobes [5.29]. Ook diffusie naar een organisch oplosmiddelreservoir is in principe mogelijk. Dan kunnen !R excitatiebronnen gebruikt worden omdat de achtergrondabsorptie van water geminimaliseerd wordt. Een bijkomend voordeel is de verhoogde gevoeligheid van TLS en BDS in apolaire oplosmiddelen. onderzoeksgroepen (binnen Europa) BDS aan pesticiden • Institüt für Radiochemie, Kernforschungszentrum Karlsruhe (W. Faubel & HJ. Ache). BDS aan nutriënten - vakgroep Agrotechniek & Fysica, Landbouwuniversiteit Wageningen (D. Bicanic). 5.4 Fotopyroelektrische spectroscopie Fotopyroelektrische spectroscopie is een nieuwkomer onder de calorimetrischè technieken, waarvo'or begin jaren tachtig de basis is gelegd. Met detectoren van pyroelektrische materialen, die overigens al langer als detector voor IR licht gebruikt worden, kunnen kleine temperatuursveranderingen en daardoor ook kleine absorpties gedetecteerd worden. Het gebruik van een pyroelektrische detector als temperatuursensor voor de detectie van warmte die ontstaat door botsingsverval, is het idee achter fotopyroelektrische spectroscopie. principe Absorptie van thermische energie (warmte) induceert in pyroelektrische materialen een elektrisch signaal. Detectoren van pyroelektrische materialen, zoals PVDF (polyvinylidenedifluoride) en PZT (loodzirconaattitanaat) kunnen daardoor temperatuursveranderingen in de orde van 10 e K waarnemen, Bij fotopyroelektrische spectroscopie of PPES (PhotoPyroElectric Spectroscopy) wordt de lokale temperatuurverandering gedetecteerd, die optreedt bij botsingsverval van aangeslagen toestanden na de absorptie van lichtenergie (zie Figuur 5.2). Bij kleine absorpties is het pyroelektrische signaal recht evenredig met de geabsorbeerde energie. De pyroelektrische detector moet fysiek contact hebben met het monster waarin de warmteontwikkeling plaatsvindt [5.111 ].

Figuur 5.2 Fotopyro-elektrische spectroscopie (PPES) in een standaardconfiguratie (A) en een configuratie waar de invallende lichtbundel gereflecteerd wordt en die reflectieve PPES wordt genoemd (B).

monster

monster

pyro

warmte lichtbundel

(A)

(B)

In Figuur 5.2 staan twee configuraties voor PPES. Met de standaardconfiguratte uit Figuur 5.2 wordt een gecombineerd

67


transmissie-absorptiesignaal gemeten. Dit komt doordat de pyrodetector niet alleen de warmteontwikkeiing door absorptie van licht in het monster waarneemt. Ook het licht dat door het monster gaat en op de detector valt, kan tot een meetbare opwarming leiden. Om verzadiging van de pyroelektrische detector door de excitatiebundel te voorkomen is het mogelijk om de detector te voorzien van een reflecterende laag [5.111] waardoor de lichtbundel gereflecteerd wordt eri'opnieuw door het monster gaat. Daardoor wordt de detector alleen bereikt door de warmte die door absorptie in het monster ontstaat. Deze methode wordt reflectieve PPES genoemd (zie Figuur 5.2B). analytische toepassingen Verschillende stoffen zijn met fotopyroelektrische spectroscopie in water gedetecteerd (zie Tabel 5.5), al heeft het onderzoek om met PPES stoffen in oplossingen te detecteren bij lange na niet de omvang van het onderzoek om met PPES dunne lagen te analyseren. Detectielimieten liggen voor ammonium en fosfaat (met een kleurreactie) op ppb-niveau [5.112]. Voordelen van pyroelektrische detectoren zijn hun compactheid, de mogelijkheid om in-situ te meten en de eenvoud van de meting [5.111]. Een nadeel is de geringe selectiviteit, zoals bij alle op absorptie gebaseerde meetmethoden waarbij in de bulk gemeten wordt. De selectiviteit kan verhoogd worden door enzymen te immobiliseren op de pyroelektrische detector (zie §4.3). De detector meet dan de warmte die vrijkomt bij de enzymatische omzetting van het substraat, Al is de excitatie niet meer optisch, de warmteontwikkeiing vormt een maat voor de substraatconcentratie. Als een stof een enzymreactie remt, is de afname van de warmteontwikkeiing bepalend voor de concentratie van de inhibitor. in plaats van een pyroelektrische detector worden ook thermistoren gebruikt [5.113, 5.114, 5.115], Thermistoren bestaan uit materialen die een temperatuurafhankelijke weerstand hebben. Ze onderscheiden zich van pyroelektrische detectoren doordat ze de absolute temperatuur meten, terwijl met pyroelektrische detectoren de temperatuurstijging bepaald wordt. Naast thermisch en optisch gebeurt de detectie in veel gevallen elektrochemisch, waarbij de enzymlaag aangebracht wordt op elektrodes. Een voorbeeld van een directe substraatomzetting is het enzym nitraatreductase dat nitraat omzet in nitriet. Voorbeelden van verbindingen die enzymreacties inhiberen zijn andere orthofosfaat en sommige pesticiden. Orthofosfaat remt het enzym alkaline fosfatase, terwijl pesticiden als carbamaten en organofosfaten de werking van choline-esterase-enzymen inhiberen. Zo is het mogelijk om carbamaten en organofosfaten in een flow-through microcalorimeter op ppm-niveau te detecteren door de reductie in enzymactiviteit te meten. Daarbij wordt na blootstelling aan de inhibitor een vaste hoeveelheid substraat over de enzymlaag geleid, waarna de warmteontwikkeiing bepaald wordt. Bij langdurige blootstelling aan de inhiberende stof kunnen nog lagere concentraties (< 1ppm) gedetecteerd worden [5.113]. Het substraat dat extra toegevoegd moet worden, maakt het experiment en het instrument complexer, De omschrijving analyzer is hier beter op zijn plaats. Het gebruik van enzymen stelt eisen aan temperatuur, saliniteit en pH omdat enzymen een duidelijk optimum kennen. Onder optimale omstandigheden vertonen enzymen een zeer grote activiteit, die sterk kan afnemen als de omstandigheden veranderen. Deze problemen zijn voor in-situ toepassingen van enzymsensoren in het oppervlaktewater nog steeds niet voldoende opgelost. Terwijl in de biotechnologie en de bioprocesindustrie tegenwoordig legio toepassingen bestaan van enzymatische omzettingen in processen en ook in het laboratorium detectie van met name biologische verbindingen mogelijk is, zijn er nog

68


steeds geen enzymsensoren commercieel verkrijgbaar voor in-situ bepalingen in het oppervlaktewater. Dit heeft niet alleen te maken met de moeilijke matrix. Veel verontreinigingen komen niet in de natuur voor, waardoor er ook geen enzymen voor bestaan. Tabel 5.5 Detectielimieten die voor verschillende stoffen met fotopyroelektrische spectroscopie bepaald zijn.

stof

detectielimiet (|iM)

BB PCVNHV

[5.112]

detectielimiet

selectiviteit

referentie

9

indicatorreactie

3

indicatorreactie

[5.112] [5.112] [5.112]

(ppb)

0,00054 0,09 0,15

BB is de kleurstof Brilliant Blue; fosfaatbepaling na kleuring met de heteropolyblauwmethode; ammonrabepaling na indophenolkleuring

sensorontwikkelingen

Geïntegreerd-optische pyrosensoren komen in zicht nu pyroelektrische materialen toegepast worden in optische chips om geïntegreerde IRdetectoren te maken [5.116]. Dat maakt deze sensoren nog niet geschikt voor toepassingen bij de detectie van verontreinigingen in het estuariene oppervlaktewater. Daarvoor is voldoende selectiviteit een vereiste. Hoewel nauwelijks onderzoek gedaan wordt riaar selectieve pyroelektrische sensoren,'lijkt het mogelijk om deze te'ontwikkelen. Het is in principe mogelijk om dezelfde selectieve indicatoren toe te passen als in absorptiesensoren. Hierbij kan gedacht worden aan bulkoptodes met chromo-ionoforen, enzymen die een absorberend reactieprodukt produceren en conventionele geïmmobiliseerde indicatoren. Ook zou het in principe mogelijk moeten zijn om met een pyrodetector evanescente absorptie te detecteren. onderzoeksgroep (in West Europa)

analytische toepassingen van fotopyro-elektrische spectroscopie - vakgroep Agrotechniek & Fysica, Landbouwuniversiteit Wageningen (D.D, Bicanic)

69


70


5.5 Referenties

referenties uit §5.1 [5.1]

Otto, M.; Wegscheider, W.; 1985, Anal. Chem. 57 (1), pp. 63-69, Spectrophotometric multicomponent anaiysis applied to tracé meta! determinations

[5.2]

Davies, J.E.D.; 1993, Sci. Total Envir. 135 (1-3), pp. 145-152, The use of vibrational spectroscopy in water anaiysis

[5.3]

Leach, R A ; Ruzicka,).; Harris, J.M.; 1983, Anal. Chem. 55 (11), pp 1669-73, Spectrophotometric determination of metals at tracé levels by flow injection and series drfferential detection

[5.4]

Ivaska, A.; Ruzicka, J.; 1993, Analyst 118, pp. 885-889, From flow injection to sequential injection: comparison of methodologies and selection of liquid drives

[5,5]

Ruczicka, J.; 1992, Anal. Chim. Acta 261, pp. 3-10, The second coming of flow-injection anaiysis

[5.6]

Fan, S.; Muller, H.; Schweizer, B.; Böhme^ W, 1993, Fresenius J Anal, Chem. 347, pp. 103-106, An efficiënt flow-injection system with on-line gas diffusion preconcentration for the determination of tracé amounts of ammonium nitrogen at u.g/L ievels by spectrophotometry

[5.7]

Fernandez-Band, B.; Lazaro, F.; Luque de Castro, M.D.; Valcarcel, AA.; 1990, Anal. Chim. Acta 229, pp. 177-182, Flow-injection determination of mixtures of amines immobilized in the flow cell of a photometric diode-array detector

[5.8]

Fernandez-Band, B.; Linares, P.; Luque de Castro, M.D.; Valcarcel, M,; 1991, Anal. Chem. 63 (17), pp. 1672-1675, Flow-through sensor for the direct determination of pesticide mixtures without chromatographic separation

[5.9]

Richter, P,; Luque de Castro, M.D.; Valcarcel, M.; 1993, Anal. Lett. 26 (4), pp. 733-744, Flow-through photometric sensor for the determination of cadmium at the nanogram per millilitre level.

[5.10]

Motomizu, 5.; Onoda, M.; Oshima, M.; Iwachido, T.; 1988, Analyst 113 (5), pp 743-746, Spectrophotometric determination of potassium in river water based on solvent extraction of the complex formed with a crown ether and ax\ anionic azo dye using flow injection

71


[5.11] Karlberg,B.; 1988, Fresenius Z Anal. Chem. 329, pp. 660-662, Flow injection extraction in theory and practice [5.12]

Motomizu, S.; Oshima, M.; Kuroda, T.; 1988, Analyst 113 (5), pp. 747-753, Spectrophotometric determination of anionic surfactants in water after solvent extraction coupled with flow injection

[5.13]

Quintero, M.C.; Siiva, AA.; Perez-Bendito, D.; 1988, Talanta 35 (12), pp. 943-948, Stopped-flow determination of carbaryl and its hydrolysis product in mixtures in environmental sampies

[5.14]

Dasgupta, P.K.; Bellamy, H.S.; Liu, H.H.; Lopez, J.L.; Loree, E.L.; Morris, K.; Petersen, K.; Mir, K.A.; 1993, Talanta40 (1), pp. 53-74, Ught emitting diode based flow-through optica! absorption detectors

[5.15]

Verpoorte, E.; Manz, A.; Ludi, H.; Bruno, A.E.; Maystre, F,; Krattiger, B.; Widmer, H.M.; Van der Schoot, B.H.; De Rooij, N.F.; 1992, Sens, Act. B 6, pp. 66-70, Asilicon flow ceü for optical detection in miniaturized total chemica! analysis systems

[5.16]

Albertshofer, W.; 1991, Sens. Act. A 25-27, pp. 443-447, A tunable 'spectrameterdiode' with a spectra! resolution of 3 nm in the 660-900 nm range

[5.17]

Oudot, C; Montel, Y.; 1988, Mar. Chem., 24 (3-4), pp. 239-52, A high sensitivity method for the determination of nanomolar concentrations of nitrate and nitrite in seawater with a Technicon AutoAnalyzer II

[5.18]

Johnson, K.S.; Beehler, CL.; Sakamoto-Arnold, C.M.; 1986, Anal. Chim. Acta 179, pp. 245-257, A submersilble flow analysis system

[5.19]


[5.20]

Van Emon, J.M.; Lopez-Avila, V.; 1992, Anal. Chem. 64 (2), pp. 79A-88A, Immunochemical methods for environmental analysis

[5.21]

Kramer, PM.; Schmid, R.D.; 1991, Pestic. Sci. 32, pp. 451-462, Automated quasi-continous immunoanalysis of pesticides with a flow injection system

[5.22]

Weil, L; Schneider, R.J.; Schafer, O., Ulrich, P.; Weller, M.; Ruppert, T.; Niessner, R.; 1991, Fres. J Anal. Chem. 339, pp. 468-469, A heterogeneous immunoassay for the determination of tnazine herbicides in

water [5.23]

Thurman, E.M.; Meyer, M.; Pomes, M.; Perry, CA.; Schwab, A.P.;

72


1990, Anal. Chem. 62 (18), pp. 2043-2048, Enzyme-linked immunosorbent assay compared with gas chromatography/mass spectrometry for the determination of triazine herbicides in water [5.24]

Hoek, B.; 1991, Anal. Lett. 24 (4), pp. 529-549, Enzym immunoassay for the determination of s-triazines in water samples; two interlaboratory tests

[5.24A] Mulder, W.H.; Stoks, P.C.M.; Hofman, J.A.; Rosmalen, F.MA; 1991, H 2 O 24 (3), pp.56-59, Toepassing van de immunochemie in het waterkwaliteitsonderzoek: immunoaffiniteitschromatografie en ELISA van triazines in het oppervlaktewater [5.25]

Arnold, M.A.; 1985, Anal. Chem. 57, pp. 565-566, enzyme based fiber optie sensor

[5.26]

Walters, B.S.; Nielsen, T.J.; Arnold, M A ; 1988, Talanta 35 (2), pp. 151 -155, Fiber-optie biosensor for ethanol, based on an interna! enzyme concept

[5.27]

Seitz, W.R.; 1984, Anal. Chem. 56 (1), pp. 16A-34A, Chemical sensors based on fiber opties

[5.28]

Arnold, M A ; 1992, Anal. Chem. 64 (21), pp. 1015A-1025A, Fiber-optie chemical sensors

[5.29]

Freeman, M.K.; Bachas, L.G.; 1990, Anal. Chim. Acta241, pp. 119-125, Fiber-optie probes for cyanide using metaSloporphyrins and a corrin

[5.30] Zhang, Y.; Seitz, W.R.; Grant, CL.; Sundberg, D.C.; 1989, Anal. Chim. Acta 217, pp. 217-227, A clear aminecontaining poly(vinyl chloride) membrane for in situ optical detection of 2,4,6-trinitrotoluene [5.31]

Ervin, A.M; Ewing, K.J.; Lamontagne, R A ; Aggarwal, I.D.; Rowley, D.A. 1993, Appl. Opt. 35 (22), pp, 4287-4290, Development of a fiber-optie sensor for tracé metal detection in aqueous environments

[5.32]

DeGrandpre, M.D.; 1993, Anal. Chem. 65 (4), pp. 331 -337, Measurement of seawater pCO2 using a re newab Ie-reagent fiber optie sensor with colorimetric detection

[5.33]

Rhines, T.D.; Arnold, M.A.; 1988, Anal. Chem. 60 (1), pp. 70-81, Simplex optimization of a fiber-optie ammonia sensor based on multiple indicators

[5.34] Seitz, W.R.; 1991, in: Fiber Optie Chemical Sensors and Biosensors Vo! 2, ed. O.S. Wolfbets, CRC Press, Chapter 9, pp. 1 -17, Optical ion

73


sensing [5.35]

Lohr, H-C; Vogtle, F.; 1985, Ace. Chetn. Res. 18, pp, 65-72, Chromo- and fluoroionophores: a new class of dye reagents

[5.36]

Al-Amir, S.M.S.; Ashworth, D.C.; Naraynaswamy, R.; 1989, Talanta 36 (6), pp. 645-650, Synthesis and characterization of some chromogenic crown ethers as potential optical sensors for potassium lons

[5.37]

Tsukube, H.; 1993, Talanta 40 (9), pp. 1313-1324, Doublé armed crown ethers and armed macrocycles as a new series of metal-selective reagents: a review

[5.38]

Alder, J.F.; Ashworth, D.C.; Narayanaswamy, R.; Moss, R.E.; Sutherland, I.O.; 1987, Analyst 112, pp. 1191-1192, An optical potassium ion sensor

[5.39]

Reichert, J.; Sellien, W.; Ache, H.J.; 1991, Sens. Act. A 25-27, pp, 481-482, Development of a fiber-optie sensor for the detection of ammonium in environmerita! waters "

[5.40]

SeÜer, K.; Simon, W.; 1992, Sens Act. B 6, pp. 295-298, Principles and mechanisms of ion-selective optodes

[5.41] Janata, J. 1989, Principles of chemical sensors, Plenum Press, New York, Chapter 5, pp. 241 -284, Optical sensors [5.42]

Morf, W.E.; Seiler, K.; Lehman, B.; Behringer, C.; Hartman, K.; Simon, W.; 1989, Pure & Appl. Chem. 61 (9), pp. 1613-1618, Carriers for chemicai sensors: design features of optical sensors (optrodes) based on selective chromoionophores

[5.43]

Lerchi, M.; Bakker, E.; Rusterholz, B.; Simon, W.; 1992, Anal. Chem. 64 (14), pp. 1534-1540, Lead-selective bulk optodes based on neutral ionopbores with subnanomolar detection limits

[5.44]

Seiler, K.; Morf, W.E.; Rusterholz, B.; Simon, W.; 1989, Anal. Sciences 5, pp. 557-561, Design and characterization of a novel ammonium ion selective optical sensor based on neutral ionophores

[5.45]

Suzuki, K.; Ohzora, H.; Tohda, K.; Miyazaki, K.; Watanabe, K.; Inoue, H.; Shirai, T.; 1990, Anal. Chim, Acta 237, pp. 155-164, Fibre-optic potassium ion sensors based on a neutral ionophore and a novel lipophilic anionic dye

[5,46]

Morf, W.E.; Seiler, K.; Rusterholz, B.; Simon, W.; 1990, Anal. Chem. 62 (7), pp. 738-742, Design of a calciumselective optode membrane based on neutral ionophores

74


[5.47]

Lumpp, R.; Reichert, J.; Ache, H J.; 1992, Sens. Act. B 7, pp. 473-475, An optical sensor for the detection of nitrate

[5.48] Tan, S.S.S.; Hauser, P.C.; Chaniotakis, N.A.; Suter, O.;Simon, W.; 1989, Chimia 43, pp. 257-261, Anion-selective optical sensors based on a co-extraction of anion-proton pairs into a solventpolymeric membrane [5.49] Hauser, P.C.; Perisset, P.M.J.; Tan, S.S.S.; Simon, W.; 1990, Anal. Chem. 62 (18), pp. 1919-23, Optode for buikresponse membranes [5.50] Kurali, M.; Badertscher, M.; Rusterholz, B.; Simon, W.; 1993, Anal. Chem. 65 (23), pp. 3473-3479, Bisulfite addition reaction as the basis for a hydrogensulfite bulk optode [5,51] Czolk, R.; Reichert, 1 ; Ache, H.J.; 1991, Sens. Act. A 25-27, pp. 439-441, An optical sensor for the detection of Cd(ll) ions [5.52] Janata, J.; 1992, Anal, Chem. 64 (18), pp. 921A-927A, Ion optodes referenties uit §5.2 [5.53] Meyer, P.L.; Sigrist, M.W.; 1990, Rev. Sci. Instrum. 61 (7), pp. 1779-1807, Atmospheric pollution monitoring using CC>2-laser photoacoustic spectroscopy and other techniques [5.54] Tam, A.C.; 1986, Rev. Mod. Phys. 56 (2), pp. 381-431, Applications of photoacoustic sensing techniques [5.55] Lahmarm, W.; Ludewig, H.J.; Welling, H.; 1977, Anal, Chem, 49 (4), pp. 549-51, Opto-acoustic tracé analysis in liquids with the frequency-modulated beam of an argonion laser

[5.56] Oda, S.; Sawada, T.; Kamada, H.; 1978, Anal. Chem. 50 (7), pp. 865-7, Determination of ultratrace cadmium by laser-induced photoacoustic absorption spectrometry [5.57] Nomura, M.; Oda, S.; Sawada, T. 1982, J. Photoacoust. 1 (1), pp 121-30, Analysis of turbid solutions by laser-induced photoacoustic spectroscopy, Part II. Tracé amounts of teliurium [5.58] Bicanic, D.; Kunze, W-D.; Sauren, H.Jalink, H.;; Lubbers, M.; Strauss, E.;1989, Water, Air and Soil Poll. 45, p 115-120, Photoacoustic detection of orthophosphate in aqueous solution [5.59] Stumpe, R.; Kim, J.I.; Schrepp, W.; Walther, H.; 1984, Appl. Phys. B. 34, pp. 203-206, Speciation of actinide ions in aqueous solution by laser-induced pulsed photoacoustic spectroscopy

75


[5.60] Schrepp, W.; Stumpe, R.; Kim, J.I.; Walther, H.; 1983, Appl. Phys. B 32, pp. 207-209, Oxidation-state-specific detection of uranium in aqueous solution by photoacoustic spectroscopy [5.61] Pollard, P.M.; Üezers, M.; McMillan, J.W.; Philips, C ; Thomason, H.P.; Ewart, F.T.; 1988, Racliochimica Acta 44/45, pp. 95-101, Some actinide speciation using laser induced photoacoustic spectroscopy

[5.62] Beitz, J.V.; Bowers, D.L.,; Dotader, MM.; Maroni, VA; Reed, D.T.; 1988, Radiochimica Acta 44/45, pp. 87-93, Detection and Speciation of transuranium elements in synthetic groundwater via pulsed-laser excitation [5.63] Klenze, R.; Kim, J.I.; 1988, Radiochimica Acta 44/45, pp. 77-85, A direct speciation of transuranium elements in natural aquatic systems by laserinduced photoacoustic spectroscopy [5.64] Beitz, J.V.; Doxtader, M.M.; Maroni, V.A.; Okajima, M.S.; Reed, D.T.; 1990, Rev. Sci. Instrum. 61 (5), pp. 1395-1403, High sensttivtty photoacoustic spectrometér for yariable temperature solution studies [5.65] VanderNoot, V.A.; Lai, E,P.C. 1992, Anal. Chem. 64 (24), pp 3187-3190, Determination of mercury(ll) in dithizone-impregnated latex microparticles by photochromism-induced photoacoustic spectroscopy [5.66] Yoshimura, K.; Yamada, S.; 1992, Talanta 39 (8), pp. 1019-1024, Application of ionexchanger-phase optoacoustic spectroscopy to f!ow analysis of tracé amounts of iron in water [5.67] Yamada, S.; Yoshimura, K.; 1992, Talanta 39 (8), pp. 1013-1018, lon-exchanger phase photoacoustic spectrometry for tracé analysis of metal ions [5.68] Kitamori, T.; Sawada, T. 1993, Polymer International 30 (4), pp. 451-453, Laser photoacoustic and photothermal spectroscopies as novel characterization methods for microparticles [5.69] Adelhelm, K.; Faubel, W.; Ache, H.J.; 1992, in: Photoacoustic and Photothermal Phenomena III, (ed. by D. Bicanic), Springer Ser. in Opt. Sci. Vol. 69, SpringerVerlag, Berlin, pp. 41-45, Fiber optie modified laser induced photoacoustic spectroscopy for the detection of organic pollutants in solutions [5.70] Kawabata, Y.; Yasunaga, K.; Imasaka, T.; Ishibashi, N.; 1993, Anal. Chem. 65 (23), pp. 3493-3496, Photoacoustic spectrometry using a fiber-optie pressure sensor [5.71] Russo, R.E,; Rojas, D.; Robouch, P.; Silva, RJ. 1990, Rev. Sci. Instrum. 61 (12), pp. 3729-3732, Remote

76


photoacoustic measurements in aqueous solutions using an optical fiber [5.72] Adelhelm, K.; Faubel, W.; Ache, H.J.; 1990, FreseniusJ. AnaS. Chem. 338, pp. 259-264, Laser induced photoacoustic spectroscopy in liquid samples: temperature and solvent effects. referenties uit §5.3 [5.73] Morris, M.D.; Peck, K.; 1986, Anal. Chem. 58 (7), p. 811A, Photothermal effects in chemical analysis [5.74] Harris, J.M.; Dovichi, N.J.; 1980, Anal. Chem. 52 (6), pp. 695A-706A, Thermal lens calorimetry [5.75] Nolan, T.G.; Weimer, W.A.; Dovichi, N.J.; 1984, Anal. Chem. 56 <9), pp. 1704-7, Laser-induced photothermal refraction for smal! volume absorbance determinatton [5.76] Jackson, W.B.; Amer, N.M.; Boccara, A.C.; Fournier, D.; 1981, Appl, Opt. 20 (8), pp. 1333-1343, Photothermal deflection spectroscopy and detection [5.77] Zhu, X.R.; McGraw, D.J.; Harris, J.M.; 1992, Anai. Chem. 64 (14), pp. 710A-719A, Holographic spectroscopy: diffraction from laser-induced gratings [5.78] Franko, M.; Tran, CD.; 1989, Chem. Phys. Lett. 158, pp. 31 -35, Water as a unique medium for thermal lens measurements [5.79] Leach, R A ; Harris, J.M.; 1984, Anal. Chim. Acta 164, pp 91-101, Real-time thermal lens absorption measurements with application to flow-injection systems [5.80] Philips, CM.; Crouch, S.R.; Leroi, G.E.; 1986, Anal. Chem. 58 (8), pp. 1710-1713, Matrix effects in thermal lensing spectrometry: determination of phosphate in saline solutions [5.81] Tran, CD.; Van Fleet, T.A.; 1988, Anal. Chem. 60 (22), pp. 2478-82, Micellar induced simultaneous enhancement of fluorescence and thermal lensing [5.82] Tran, CD.; 1988, Anal. Chem. 60 (2), pp. 182-5, Simultaneous enhancement of fluorescence and thermal lensing by reversed micelles [5.83] Bialkowski, S.E.; 1986, Anal. Chem. 58 (8), pp. 1706-10, Pulsed laser thermal !ens spectrophotometry of liquid samples using an optical fiber beam guide with interference orthogonal signal processing

77


[5.84] Mori, K.; Imasaka, T.; Ishibashi, N.; 1982, AnaL Chem. 54 (12), pp. 2034-8, Thermal lens spectrophotometry based on pulsed laser excitation i5.85] Vyas, R.; Gupta, R.; 1988, Appl. Opt. 27 (22), pp. 4701-4711, Photothermal lensing spectroscopy in a flowing medium: theory [5.86] Pelletier, M.J.; Harris, J.M.; 1983, Anal. Chem. 55 (9), pp. 1537-43, Pulsed laser induced thermal diffraction for absorption measurements in small volumes [5.87] Pelletier, M.J.; Thorsheim, H.R.; Harris, J.M. 1982, Anal. Chem. 54 (2), pp. 239-242, Laser-induced thermal diffraction for calorimetric absorption measurements [5.88] McGraw, D.J.; Harris, J.M.; 1985, J. Opt, Soc. Am. B 2 (9), pp. 1471-1475, Transient thermal-grating spectroscopy for sensitive one- and two-photon absorption meaurements [5.89] Ramis Ramos, G.; Garcia ASvarez-Coque, M.C.; Smith, B.W.; Omenetto, N,; Winefordner, J.D.; 1988, Appl. Spectrosc. 42 (2), pp 341-6, Ultratrace determination of metals with dithizone by thermal lens spectrophotometry [5.90] Abroskin, A.G.; Belyaeva, T.V.; Filichkina, V.A.; Ivanova, E.K.; Proscumin, M.A.; Savostina, V.M.; Barbalat, Y.A.; 1992, Analyst 117 (12), pp. 1957-62, Thermal lens spectrometry in tracé metal anaiysis [5.91] Strauss, E.; Favier, J-P.; Bicanic, D.; Van Asselt, K.; Lubbers, M.; 1991, Analyst 116 (1), pp. 77-9, Sensitive colorimetric determination of ammonium ion in water by laser photothermai detection [5.92] Fujiwara, K.; Uchiki, H.; Shimokoshi, F.; Tsunoda, K.; Fuwa, K.; Kobayashi, T.; 1982, Appl. Spectrosc. 36 (2), pp. 157-161, Thermal lensing colorimetry of nitrite ion with single-laser system [5.93] Fujiwara, K.; Lei, W.; Uchiki, H.; Shimokoshi, F.; Fuwa, K.; Kobayashi, T.; 1982, Anal. Chem. 54 (12), pp. 2026-2029, Determination of phosphorus at the parts per trillion level by laser-induced thermal lensing colorimetry [5.94] Nakanishi, K.; Imasaka, T.; ishibashi, N.; 1985, Anal. Chem 57 (7), pp. 1219-1223, Thermal lens spectrophotometry of phosphorus using a near-infrared semiconductor laser [5.95] Bicanic, D.; Favier, J-P.; Strauss, E.; Lubbers, M.; Fleuren, G.; 1990, Int. J. Environ, Anal. Chem. 38, pp, 623-628, Low-cost colorimetric measurement of phosphate tracé ievels in water and in soil solutions by the collinear photothermal beam deflection method

78


[5.96]

Tu, C-Y.; Kitamori, T.; Sawada, T.; Kimura, H.; Matsuzawa, S.; 1993, Anal. Chem. 65 (24), pp. 3631-3635, Uitrasensitive heterogeneous immunoassay using photothermal deflection spectroscopy

[5.97]

Shen, J.; Snook, R.D.; 1989, Anal. Proc. 26 (11), pp. 403-5, Two-beam thermal lens spectrometer for ultra tracé analysis

[5.98]

Mouiin, C; Dolorme, N.; Berthoud, T,; Marchien, P.; 1988, Rad toch i m ica Acta 44/45, pp. 103-106, Doublé beam thermal lens spectroscopy for actinides and speciation

[5.99]

Bohnert, B.; Faubel, W.; Ache, H.J.; 1992, Fresenius' J. Anal. Chem. 343 (6), pp. 513-17, Comparison of collinear and transverse photothermal deflection spectroscopy for tracé analysis of pesticides in water

[5.100]

Tran, CD.; 1987, Analyst 112 (10), pp. 1417-20, Development of a doublé beam, dual wavelength thermal lens using a heliumneon laser

[5.101]

Xu, M.; Tran, CD.; 1990, Anal. Chim. Acta 235 (2), pp. 445-9, Multiwavelength thermal lens spectrophotometer

[5.102]

Tran, CD.; Simianu, V.; 1992, Anal. Chem. 64 (13), pp. 1419-25, Multiwavelength thermal lens spectrophotometer based on an acousto-optic tunable filter

[5.103]

Imasaka, T.; Nakanishi, K.; Ishibashi, N.; 1987, Anal. Chem. 59 (11), pp. 1554-7, A couple of optical fibers for thermal lens spectrophotometry

[5.104]

Nakanishi, K.; Imasaka, T.; Ishibashi, N.; 1987, Anal. Chem. 59 (11), pp. 1550-4, Single-mode and muitimode optical fibers for light introduction in thermal lens spectrophotometry

[5.105]

Rojas, D.; Silva, R.J.; Spear, J.D.; Russo, R.E.; 1991, Anal. Chem. 63 (18), pp. 1927-1932, Dual-beam optical fiber thermal lens spectroscopy

[5.106]

Vattuiainen, J.; Hernberg, R.; 1993, Rev. Sci. Instrum. 64 (6), pp. 1451-1455, A versatile laser beam defSection sensor utilizing optical fibers

[5.107]

Bohnert, B,; Faubel, W.; Ache, H.J.; 1990, Fresenius J Anal. Chem. 338, pp. 695-698, Use of photothermal deflection spectrometry (PDS) for studies of analytes in aqueous solutions.

[5.108]

Yang, Y.; Hairrell, R.E.; 1984, Anal. Chem. 56 (14), pp. 3002-3004, Singlelaser/crossed-beam thermal lens detection for short path length samples and flow injection analysis

79


[5.109]

Tran, CD.; Zhang, W-; 1990, Anal. Chem. 62 (8), pp. 830-4, Thermal lensing detection of lanthanide ions by solvent extraction using crown ethers

[5.110]

Franko, M.;Tran, CD.; 1989, Appl. Spectrosc, 43 (4), pp. 661-667, Simultaneous determination of two-component mixtures and pHs by dualwavelength thermal lens spectrometry


Morgan, W.S.G.; Kühn, P.C; Van Niekerk, P.P.; 1984, Wat. Sci. Tech. 17, pp. 855-865, Continuous, automatic detection of organophosphates and carbamates in water utilizing enzyme microcalorimetry

[5.112]

Hinoue, T.; Kaji, J.; Yokoyama, Y.; Murata, M.; 1991, Anal. Chem. 63 (19), pp, 2086-2090, Photopyroelectric spectrometry and its appiication to the determination of tracé constituents in natural water.

[5.111]

Chirtoc, M.; Dadarlat, D,; Bicanic, D.; 1992, Photoacoustic and Photothermal Phenomena III, (ed. by D. Bicanic), Springer Ser. Opt. Sci. 69, Springer-Verlag, Berlin, pp. 103-112, Standard versus new photopyroelectric (PPE) techniques; reflection (RPPE) and inverse (IPPE) configurations

[5.114]

Heiander, P.; 1992, in: Photoacoustic and Photothermal Phenomena III, (ed. by D. Bicanic), Springer Ser. Opt. Sci. 69, Springer-Verlag, Heidelberg, pp. 562-564, A reliable optothermal Sensor

[5.115]

Heiander, P; 1986, J Appl. Phys. 59 (10), Signal processing in optothermal spectroscopy

[5.116]

Ploss, B.; Bauer, S. 1991 Sensors Actuators A25-27, pp. 407-411, Characterizatton of materials for integrated pyroelectric sensors

80


6 Luminescentietechnieken

Dit hoofdstuk behandelt verschillende luminescentietechnieken voor analytische toepassingen en inventariseert de toepassingen van deze technieken in chemische sensoren. In §6.1 komen op fluorescentie gebaseerde technieken en sensoren aan bod. §6.2 gaat dieper in op toepassingen en sensoren die gebaseerd zijn op chemi- en bioluminescentie. Fosforescentiespectroscopie, ook een luminescentietechniek, wordt niet behandeld omdat deze techniek nauwelijks in sensoren is toegepast. Bovendien zijn weinig analytische toepassingen van fosforescentiebepalingen bekend voor de detectie van opgeloste stoffen. 6,1 Fluorescenttespectroscopte Fluorescentiebepalingen worden gebruikt om verbindingen, eventueel via een geschikte complexeringsreactie, te detecteren. Sub-ppb detectielimieten zijn haalbaar voor PAK's en tal van andere verbindingen. principe Door absorptie van optische energie vindt een moleculaire overgang plaats, waarbij moleculen in een aangeslagen toestand komen. De levensduur van een molecuul in een aangeslagen toestand is beperkt. Tijdens de relaxatie terug naar de grondtoestand wordt de energie weer afgestaan. Fluorescentie Is één van de mogelijke relaxatieprocessen die kunnen optreden, waarbij de geabsorbeerde energie vrijkomt als licht(energie). Een zeer belangrijke eigenschap van fluorescentie voor analytische toepassingen is dat de emissiegolflengte groter is dan de excitatiegolflengte. Daardoor is het mogelijk om de excitatiegolflengte door filtering te onderdrukken, wat zeer gevoelige detectie mogelijk maakt. Onder geoptimaliseerde omstandigheden is het mogelijk om met lasergeïnduceerde fluorescentie enige tienduizenden moleculen te detecteren [6.1]. Fluorescentie is een relatief snel proces dat kort na de excitatie (1 -1000 nsec) plaatsvindt. Op deze tijdschaal is het verval van een fluorescerende verbinding bij een specifieke golflengte monoexponentieel. Als meerdere componenten fluoresceren is de vervalcurve multi-exponentieel. Door tijdsopgelost te meten en levensduurfiltering [6.2) toe te passen of de vervaicurve te fitten [6.3] is het mogelijk om bijdragen van individuele componenten te onderscheiden. De intensiteit van fluorescentie is recht evenredig met de absorptie en daarmee ook met de concentratie. Dat maakt fluorescentie zeer geschikt voor de detectie van opgeloste stoffen die fluoresceren. Niet alle verbindingen fluoresceren. Dit hangt af van de quantumefficiency van een verbinding. De quantumefficiency geeft aan welk deel van de geabsorbeerde (licht)energie tijdens de relaxatie omgezet wordt in emissielicht. Onder invloed van botsingen met andere opgeloste stoffen kan de fluorescentie-intensiteit verminderen of zelfs verdwijnen. Dit proces wordt meestal aangeduid met de Engelse term 'quenching'. Door de botsende moleculen wordt, afhankelijk van de concentratie quenchermoleculen, de levensduur van de aangeslagen toestand verkort en de fluorescentie-intensiteit gereduceerd. Door de concentratie-

81


afhankelijkheid is het mogelijk om de hoeveelheid quenchermoleculen te detecteren. Zuurstof is bijvoorbeeld een sterke quencher voor veel fluorescerende verbindingen. Ook het micromilieu van de fluorescerende verbinding is van invloed op de fluorescentie. Het emissiespectrutn kan onder invloed van het oplosmiddel verschuiven en de fluorescentieintensiteit kan veranderen. De fluorescentie-intensiteit van veel organische verbindingen neemt toe in een apolaire omgeving, bijvoorbeeld na adsorptie aan een vaste stof. analytische toepassingen

Fluorescentiebepalingen worden veel toegepast in analytische toepassingen. Hier worden verschillende fluorescentietechnieken behandeld die toegepast worden om in water opgeloste verbindingen te detecteren. Het gaat om: -laser geïnduceerde fluorescentie (LIF), -tijdsopgeloste fluorescentiebepalingen, -vaste stof fluorometrie -fluoro-immunoassays. laser geïnduceerde fluorescentie (LIF) Omdat de intensiteit van fluorescentie recht evenredig is met de intensiteit van de excitatiebundel is laser geïnduceerde fluorescentie (LIF; naar de Engelse term Laser Induced Fluorescence) in principe gevoeliger dan conventionele fluorometrie. Het meetbereik omvat vaak drie a vier orden van grootte. Met LIF kunnen de meeste fluorescerende verbindingen op uM-niveau gedetecteerd worden, zoals bijvoorbeeld peryleen [6.4], diverse uraniumverbindingen [6.5] en sommige actiniden [6.6]. Door het excitatievolume sterk te verkleinen (tot picoliters) is het mogelijk om enige tienduizenden opgeloste moleculen te detecteren [6.1, 6.7]. Deze eigenschappen maken LIF-detectoren geschikt om toe te passen in flow-injectiesystemen [6.8]. Vooral compacte diodelasers komen in aanmerking voor toepassing in geminiaturiseerdè flow-injectiesystemen [6.9, 6.10], Een probleem is nog dat de emissie van de huidige commercieel verkrijgbare diodelasers in het nabije infraroo
82


silicagelkorrels is wel mogelijk door met verontreinigd water langs een kolom van gealkyleerd silicagel te laten stromen en na desorptie met LIF te detecteren [6.14]. Detectie van 0,17 ppt pyreen is mogelijk. tijdsopgeloste fluorescentie en levensduurfiltering De detectie van opgeloste stoffen met fluorescentietechnieken is wezenlijk selectiever dan met absorptietechnieken. Door bijvoorbeeld excitatie- en detectiegolflengte te optimaliseren is het mogelijk om interfererende fluorescentie te minimaliseren of om meerdere componenten in een monster te analyseren [6.15]. Vaak is dit niet voldoende en dragen meerdere verbindingen bij aan het fïuorescentiesignaal dat gedetecteerd wordt. Door de fluorescentie tijdsopgelost te bepalen en levensduurfiltering toe te passen is in sommige gevallen alsnog kwantitatieve analyse mogelijk [6.2]. Een probleem hierbij is dat ook het tijdsopgeloste signaal beïnvloed wordt door het micromilieu. Bij tijdsopgeloste fluorescentie wordt de exponentiële vervalcurve of een deel hiervan opgenomen. Omdat fluorescentie een proces is dat direct na de excitatie begint, is dit alleen mogelijk met gepulste excitatie in combinatie met zeer snelle fotodetectoren en idem dito snelle dataverwerkingsapparatuur. Door het multi-exponentiële ftuorescentiesignaal, dat in het tijddomein opgenomen is, te fitten, kunnen de relatieve bijdragen aan de relaxatiecurve van verschillende componenten uit het signaal gehaald worden [6.3]. Detectie van UO23t is op ppb-niveau mogelijk [6.5]. Door levensduurfiltering toe te passen en bijvoorbeeld alleen naar het laatste deel van de vervalcurve in het tijddomein te kijken wordt de fluorescentie van verbindingen met een korte levensduur niet meer waargenomen [6.2]. Dit is bijvoorbeeld het geval bij de fluorescentie van Eu3t-complexen, waarvan de levensduur enkele milliseconden kan bedragen. Deze Eu'*-complexen worden bijvoorbeeld toegepast als labels in fluoro-immunoassays [6.16]. Ondanks de huidige progressie is het aantal analytische toepassingen van levensduurfiltering nog niet groot. f/uoro-immunoassays Bij fluoro-immunoassays, gebaseerd op antilichaam-antigeen of antilichaam-hapten interacties vindt detectie door middel van fluorescentiemetingen plaats. Antilichamen binden met grote affiniteit met een specifieke verbinding (of een groep verwante verbindingen). Detectielimieten tussen 1 nM en 1 pM zijn haalbaar [6.16, 6.17]. Als een verbinding niet fluoresceert, kunnen fluorescerende labels in een fluoro-immunoassay toegepast worden. Vaak worden conventionele fluoroforen gebruikt, al staan nieuwe fluorescerende labels als Eu1+complexen en verbindingen die in het NIR fluoresceren, vanwege hun voordelen sterk in de belangstelling. In het NIR is de achtergrondfluorescentie lager dan in het zichtbare gebied omdat slechts een klein aantal verbindingen in dat deel van het spectrum fluoresceert. Bij excitatie in het NIR is ook de fotodegradatie van fluorescerende verbindingen kleiner dan bij excitatie in het UV of zichtbare gebied [6.18, 6.18A, 6.19]. Bovendien zijn goedkope excitatiebronnen, zoals diodelasers en LED's, beschikbaar [6.7,6.9, 6.18]. Met een enzymimmunoassay kunnen submicromolaire concentraties van het biomolecuul xanthine bepaald worden. Detectie is mogelijk omdat het reactieprodukt waterstofperoxyde de fluorescentie van een NIR-fluorofoor quencht [6.19]]. Eu3*-complexen fluoresceren door intramoteculaire processen lang (enkele milliseconden). Daardoor kan met tijdsopgeloste fluorescentiemetingen en levensduurfiltering het signaal van de

83


kortdurende achtergrondfluorescentie onderscheiden worden. In een fluoro-immunoassay meteen Eu3+-comple>c als label zijn de herbiciden terbutryn en atrazine op sub-ppb niveau gedetecteerd [6.16]. Omdat hetzelfde antilichaam in de assays voor beide verwante pesticiden is gebruikt, heeft het waarschijnlijk ook affiniteit voor andere triazineherbiciden. Het ontwikkelen van een immunoassay bestaat meestal uit meerdere stappen, zoals het toevoegen en wegwassen van reagentia en de incubatie voor de immunoreactie. Daardoor zijn deze immunoassays niet geschikt voor snelle veldmetingen of in-situ bepalingen. Snelle veldmetingen op locatie zijn wel mogelijk met immunokits die tegenwoordig voor een aantal pesticiden al op de markt zijn [6.17]. Met deze immunokits zijn bepalingen sneller en eenvoudiger uit te voeren dan met immunoassays die ontwikkeld zijn voor gebruik in het laboratorium. Automatisering van immunoassays is mogelijk door ze toe te passen in een flow-injectiesysteem [6.20]. Bij deze toepassing zijn polyclonale antilichamen geïmmobiliseerd op een membraan dat na elke bepaling automatisch vervangen wordt. Detectie van 10 ppt atrazine in een flowinjectie immunoassay is mogelijk, waarbij een bepaling 15 minuten duurt [6.20]. Het gaat hierbij om een competitief enzymassay waarvan het reactieprodukt een fluorescerende verbinding is. Tabel 6.1

stof

detectielimiet

Detect/elim/eten voor verschillende stoffen bepaald met fluorescentietechnieken dibenzo[a,c] (SPF=vaste stof fluorometrie, anthraceen LIF=lasergeïnduceerde coroneen chryseen fluorescentie, S.F. = spectrale peryleen filtering).

(ppd)

coroneen anthraceen

1,1x10'

pyreen

9x10'

0,00017

peryleen benzo[a] pyreen terbutryn

1

[6.12]

[6.14] [6.4] [6.13] [6.16]

[6.5] [6.6]

referentie

2,7x10"5,4x10"' 1,6x10^-0,016

s.f

[6.15]

s.f s.f s.f

[6.15]

s.f SPF

[6,15]

[6.15] [6.15] [6.12]

LIF LIF

[6.4]

[6.14]

SPF

[6.13]

0,05

LIF

16.16]

0,1 5

LI F

[6.16] [6.5] [6.6]

0,07

1,8x105

methode

QJN»

0,20 0,22 0,17 0,13 0,14 0,02

atrazine UO2!* Cm3t

bereik

0,0085

0,52-3,45 ppb

LIF LIF

Na het schudden van de silicagelkorrels met de oplossing wordt de fluorescentie van het geadsorbeerde anthraceen bepaald. Tolerantie voor ionen is hoog omdat ze niet hechten aan het C18-silica. Verschillende PAK's interfereren bij concentraties boven 5 ppm. Preconcentratie op gealkyleerd silicagel wordt gevolgd door afspoelen in een klein volume en een LIF- bepaling. Detectie van de PAK pyreen met een frequentieverdubbelde diodelaser als excitatiebron Met preconcentratie op gealkyleerd silicagel zijn goede resultaten haalbaar in zeewater, hoewel andere PAK's interfereren. Als fluorofoor in het competitieve immunoassay zijn Eu3+-complexen gebruikt. Door de hoge kruisreactiviteit is dit assay ook geschikt om triazine herbiciden als groep te detecteren. De bepaling is in 4 M HNO3 uitgevoerd. Bepalingen zijn uitgevoerd in 0,10 M HCIO4 en in synthetisch grondwater, een 0,01 M NaCl oplossing met een pH van 7,5,

84


sensorontwikkeli ngen

Fluorescentiebepalingen worden veel toegepast in optochemische sensoren. Omdat de meeste verbindingen niet fluoresceren, is vaak een reactie met een indicator nodig om een complex te vormen waarvan de fluorescentie (verandering) gedetecteerd kan worden. Ook kan 'quenching' van de fluorescentie aan een hoeveelheid quencher moleculen gerelateerd worden. Van een aantal op fluorescentie gebaseerde FOCS voor de detectie van verontreinigingen in het oppervlaktewater staan voorbeelden in Tabel 6.2. Meer toepassingen staan in de referenties [6.21, 6.22, 6.23}. Hier gaat het om fiberoptische fluorescentiesensoren (tenzij in de tekst aangegeven is dat geen optische fibers zijn toegepast). Het gaat om de volgende groepen FOCS: - FOCS op basis van remote spectroscopie, - FOCS met irreversibele indicatoren, - FOCS met reversibele of regenereerbare indicatoren - FOCS op basis van micromilieuinvloeden, - enzymsensoren, - fiuoro-imrnunosensoren. FOCS op basis van 'remote' spectroscopie Bij 'remote' spectroscopie wordt in-situ in de matrix gemeten. Remote verwijst naar de optische fibers die het excitatielicht naar de meetlocatie en (bij fluorescentie) het emissieiicht naar de fotodetector voeren. Daardoor is detectie op afstand mogelijk. A/let in-situ LIF-bepalingen met'UV-lasers zijn ferto! en o-cresöl op 25 m diepte in het grondwater op ppb-niveau gedetecteerd [6.24]. In een vervolgonderzoek is een prototype in-situ veldinstrument ontwikkeld [6.25], waarmee het pesticide carbazol en p-cresol op ppb-niveau gedetecteerd zijn [6.26], Tolueen is in het grondwater op ppm-niveau gedetecteerd [6,27] en de PAK benzo[a]pyreen op ppb-niveau, waarbij het tijdsopgeloste signaal is gebruikt voor analyse [6.28], In-situ LIF met tijdsopgeloste detectie kan ook direct in de bodem toegepast worden [6.29]. Hoewel fluorescentiebepalingen selectiever zijn dan absorptiemetingen, kunnen in het oppervlaktewater veel verbindingen interfereren en bijdragen aan het fluorescentiesigrsaai. Voordelen van remote spectroscopie zijn het ontbreken van reagentia en de snelle respons. De respons is snel omdat complexvorming of transport door een membraan niet hoeft plaats te vinden. FOCS met irreversibele indicatoren Een fluorescerende verbinding ontstaat meestal pas nadat een ion een complex heeft gevormd met een geschikte indicator. Ook organische verbindingen kunnen via een (irreversibele reactie een fluorescerende verbinding vormen. Een groot aantal indicatoren is bekend uit de conventionele fluorometrie. Bij de meeste reagentia voor ionen gelden dezelfde nadelen als voor de conventionele colorimetrische reagentia, die in absorptiebepallngen en absorptiesensoren toegepast worden [6.22]: - indicatoren kunnen vaak met meerdere ionen een complex vormen waardoor de selectiviteit beperkt is. - complexvorming is meestal irreversibel -complexvorming is vaak afhankelijk van de pH - immobilisatie van de indicator (in sensortoepassingen) bemoeilijkt vaak de complexvorming omdat de noodzakelijke ruimtelijke structuur niet gevormd kan worden (de verhouding metaal-indicator is vaak 1:2 of 1:3). Daarom zijn de meeste reagentia weinig geschikt als optische indicator in sensoren voor het oppervlaktewater. In beter gedefinieerde matrices worden overigens wel goede resultaten behaald, zoals de resultaten in

85


Tabel 6.2 laten zien. Het continu toevoegen van reagentia maakt irreversibele indicatorreacties en indicatoren die gevoelig zijn voor fotodegradatie, toepasbaar [6.30], In [6.31, 6.32] gebeurt dit door het reagens onder druk door een ultrafiltratiemembraan te persen in een gellaag die als een tweede membraanlaag fungeert en waarin de reacties plaatsvinden, De reagensconcentratie in de gellaag blijft constant omdat het reagens weglekt. Met dit type FOCS is een detectielimiet van 50 ppb voor Mg2* haalbaar [6.31] en kunnen Cd2t en Zn2t op sub-ppb-niveau gedetecteerd worden [6.32]. Een FOCS op basis van de Fujiwarareactie is succesvol in het oppervlaktewater getest [6.33, 6.34]. Met een draagbare uitvoering en een UV-lamp als excitatiebron is het mogelijk om chloroform (CHCIg) in concentraties variërend van 80 ppb tot 25 ppm te detecteren [6.35]. De reagentia worden beschermd door een gaspermeabel membraan dat het zeer vluchtige chloroform doorlaat. In een andere studie is de detectie van trichSoorethyleen en trichloorazijnzuur en chloroform met de Fujïwarareactie vergeleken [636]. In deze studie is geconcludeerd dat een FOCS voor trichloorethyleen het meeste perspectief biedt. De Fujiwarareactie is gebaseerd op de reactie van pyridine of pyridinederivaten (bijvoorbeeld nicotinamide) met organochloriden die meer dan één chlooratoom aan een koolstofatoom hebben. Ook andere halogeenatkanen kunnen op basis van de Fujiwarareactie gedetecteerd worden [6.36]. In de reactie, die langzaam en irreversibel.is, wordt een instabiele gekleurde fluorescerende verbinding gevormd. Detectie is mogelijk door de absorptie of de fluorescentie te bepalen. Verschillende organochloriden reageren tot verschillende reactieprodukten die met (tijdsopgeloste) fluorescentiemetingen onderscheiden kunnen worden. FOCS met reversibele of regenereerbare indicatoren Naast de ontwikkeling van chromo-ionoforen (zie §5.1 en §4.2) worden, weliswaar in mindere mate, ook fluoroforen aan ionoforen gekoppeld [6.37]. Een aantal fluoro-ionoforen, die reversibel en selectief ionen binden, zijn toegepast in optochemische sensoren. Met een fluoro-ionofoor, gebaseerd op een kroonether met een fluorofoor als één van de zijketens, is de detectie van Ca2t en Mg ï+ op submillimolair niveau mogelijk [6.38]. Met een natuurlijke kroonether, gebaseerd op een antibioticum, zijn voor dezelfde ionen detectielimieten op micromolair niveau gehaald [6.39]. Ook voor organische verbindingen bestaan reversibele indicatoren. De PAK pyreen vormt met picrinezuur (trinitrofenol) selectief en reversibel een verbinding, die niet fluoresceert. De afname van de fluorescentie kan daardoor gerelateerd worden aan de concentratie van het picrinezuur [6.40]. In sterk zuur milieu is het mogelijk om 10 uM picrinezuur te detecteren. In de moleculaire holte van a-cyclodextrines passen selectief alifatische alcoholen waardoor de fluorescentie van de gesubstitueerde fluorofoor verandert. Gegevens over interfererende verbindingen en detectielimieten ontbreken [6.41], Het cyclodextrine, dat een grotere moleculaire holte heeft, bindt selectief benzo[a]pyreen waardoor de fluorescentie van de carcinogene PAK versterkt wordt. De detectielimiet ligt op nM-niveau [6.42]. Het is mogelijk om het ft-cyclodextrine te regenereren met een mengsel van water en methanol. Dit biedt mogelijkheden voor toepassing in een flow-injectiesysteem. Ook fluorescerende HMndicatoren kunnen voor reversibiliteit zorgen. Door deze fluorescerende indicatoren te combineren met een gaspermeabel membraan aan het einde van een fiber, is het mogelijk om opgeloste gassen als NH3 [6.43] en CO2 [6.44, 6.45] te detecteren. De neutrale gassen diffunderen door het membraan, waarna zich een


zuur-base evenwicht instelt. De ligging van het evenwicht is bepalend voor de protoneringsgraad van de indicator en daarmee ook voor de fluorescentie. Een andere potentiële toepassing is om fluorescerende H*-indicatoren te combineren met neutrale ionoforen in een zogenaamde bulkoptode, waarbij de ionofoor en de H*-indicator niet gekoppeld en get'mmobiliseerd zijn, maar door hun apolaire karakter in het membraan blijven. Als de ionofoor met een ion bindt, zal deprotonering van H*indicator plaatsvinden om de lading in het membraan constant te houden. Dit principe is al toegepast bij op absorptie gebaseerde bulkoptodes (zie §5.1 en §4.2). FOCS op basis van micromilieuinvloeden De invloed van het micromilieu op een opgeloste verbinding wordt voornamelijk bepaald door interacties met het oplosmiddel en andere opgeloste stoffen. Deze interacties kunnen van invloed zijn op de fluorescentie, Het emissiespectrum kan verschuiven en de fluorescentieintensiteit kan veranderen. Ook bij geadsorbeerde en geabsorbeerde verbindingen is het micromilieu van invloed op de fluorescentie. Bovendien zijn van de meeste fluorescerende verbindingen quenchers bekend die de fluorescentie verzwakken ('quenchen') zonder een complex te vormen. Dit kan een probleem vormen bij op fluorescentie gebaseerde on-line detectiemethoden, omdat de afname niet veroorzaakt hoeft te'zijn door de concentratieverandering van de te detecteren verbinding. De afname kan ook veroorzaakt worden door een verbinding die de fluorescentie 'quencht'. Zuurstof is bijvoorbeeld een effectieve quencher voor een groot aantal fluorescerende verbindingen, wat de basis vormt voor een groep optische zuurstofsensoren [6.11 6.21], Bij deze FOCS wordt de zuurstofconcentratie bepaald door de quenching van de fluorescentie te meten, waarbij reagentia afgeschermd worden door een gaspermeabel membraan [6.21]. In het algemeen is detectie van een verbinding door de quenching te bepalen minder gevoelig dan detectie van de fluorescentie van een gevormd complex. De fluorescentie van de indicator Rhodamine wordt door verschillende ionen versterkt of verzwakt [6.46]. Detectie van een aantal ionen is op uM-niveau mogelijk maar het ontbreekt aan selectiviteit. Neutrale ionoioren kunnen voor de noodzakelijke selectiviteit zorgen, maar dan moet meer bekend zijn over het quenching-gedrag van ionen als ze een complex gevormd hebben met ionoforen, De neutrale ionofoor valinomycine is in combinatie met een ionogene fluorofoor toegepast om K* te detecteren [6.47], Als de ionofoor een complex vormt met K+, waardoor lading in het PVC-membraan komt, zal het geladen (en fluorescerende) deel van de indicator uit het membraan gaan steken om de lading in het hydrofobe membraan constant te houden. De fluorescentie zal veranderen onder invloed van de grotere polariteit van water. Dit is detecteerbaar en kan gerelateerd worden aan de kaliumconcentratie. Hoewel de fluorofoor een hydrofoob deel heeft, blijft de fluorofoor slecht in het membraan. In een optochemische sensor voor VOC's wordt hetzelfde effect toegepast [6.48], Het emissiespectrum van de fluorofoor Nile Red verschuift als het micromilieu hydrofober wordt, Dit gebeurt als het siliconenmembraan VOC's opneemt. Zo zijn xyleen en benzinedampen in lucht op ppm-niveau gedetecteerd. Toepassing in water vereist een gaspermeabel membraan of gasextractie. De geringe selectiviteit blijft overigens een probleem. Door vloeibare kristallen als adsorptiemedium te gebruiken kan de selectiviteit sterk verbeterd worden. In de gaschromatografie worden

87


deze kristallen gebruikt voor de selectieve adsorptie van VOC's. De selectiviteit is gebaseerd op de starre geometrische structuren van de vloeibare kristallen. In een FOCS-toepassing is gasvormig anthraceen op ppbv-niveau gedetecteerd door de afname van de fluorescentie in het vloeibare kristal te meten [6.49]. Ook bier is voor een eventuele toepassing in het oppervlaktewater een membraan noodzakelijk. De fluorescentie van indicatoren als derivaten van Rhodamine 6G en cyanines, is afhankelijk van het lokale elektrisch veld. Met optodes, gebaseerd op deze potentiaalgevoelige indicatoren in combinatie met ionoforen, zijn K+ [6.50] en Ca2+ [6.51] op micromolair niveau gedetecteerd. De interactie tussen de moleculaire dipool van de indicator en het (lokale) veid heeft alleen effect op de fluorescentie als alle indicatormoleculen in dezelfde richting georiënteerd zijn. Dat is mogelijk door de indicatormoleculen te oriënteren in een LangmuirBlodgettfilrn [6.50, 6.51], Deze films bestaan uit georiënteerde dubbellagen van polymeren. Het lokale elektrische veld ontstaat als de ionoforen, die ook aan de Langmuir-Blodgettfilm zijn toegevoegd, een complex vormen met de ionen. Het meetbereik is groot (5-6 orden van grootte) omdat het fluorescentiesignaal, net als bij ionselectieve elektrodes, logaritmisch verandert ten opzichte van de ionconcentratie. Een nadeel is de geringe afname van de fluorescentie over het meetbereik (ca. 18%), wat ten koste gaat van de gevoeligheid. Adsorptie van andere ionen aan het membraan en penetratie van andere moleculen in het membraan kunnen het elektrisch veld en dus het signaal beïnvloeden. Hetzelfde geldt voor de ionsterkte en de diëlektrische constante van de oplossing [6.52]. Kwantitatieve gegevens hierover zijn echter niet gevonden. fluorescerende enzymsensoren Het grootste deel van de enzymsensoren op basis van fluorescentie betreft de detectie van biomoleculen als glucose, lactaaten ethanol [6.53]. Hierbij wordt vaak een oxidase enzym gëimmobiliseerd in het gaspermeabele membraan van een zuurstof-FOCS, die wordt op basis van quenching. Door de zuurstofconsumptie van het oxidase-enzym tijdens de substraatomzetting neemt de zuurstofconcentratie en dus ook de quenching af. De toename van de fluorescentie is daardoor te relateren aan de substraatconcentratie. Dit principe is toegepast voor de sub-millimolaire detectie van verschillende polyfenolen (o.a. hydroquinon). Bij deze toepassing is het enzym laccase gekoppeld aan een zuurstof-FOCS die de zuurstofconsumptie in de enzymatische reactie registreert [6.54], Zink kan op nanomolair-niveau gedetecteerd worden met het enzym carbonic anhydrase als chemische selector [6.55]. Het Zn2t-ion bindt selectief aan het metallo-enzym, waardoor de inhibitor dansylamide de kans krijgt om aan het gevormde metallo-enzymcomplex te binden. Het emissiespectrum van dansylamide verschuift en de fluorescentieintensiteit neemt toe, wat eenvoudig te detecteren is. De binding van dansylamide met het enzym is reversibel te maken door bijvoorbeeld sprongsgewijs de temperatuur te verhogen of de pH te laten dalen [6.55]. Niet bekend is of deze toepassing van enzymatische selectiviteit minder eisen stelt aan parameters als temperatuur, saliniteit en pH. In principe moet het mogelijk zijn om ook andere metallo-enzymen op dezelfde manier te gebruiken als ionofoor. fiber-optische fluoro-immunosensoren De laatste jaren worden antilichamen als (immuno)chemische selector toegepast in (optische) immunosensoren [6.56]. Immunosensoren onderscheiden zich van 'conventionele' immunoassays doordat stappen als het toevoegen en wegwassen van reagentia ontbreken en de

88


incubatietijd voor de immunochemtsche reactie geminimaliseerd is. Remote detectie is mogelijk door optische fibers te introduceren voor het transport van excitatielicht en emissielicht, waarbij de antilichamen vaak op de fiber geïmmobiliseerd worden [6.56]. Toepassing van fluorescerende labels maakt ook de detectie van niet fluorescerende verbindingen met fiber-optische f luoro-immunosensoren mogelijk [6.57, 6.58, 6.59, 6.60]. Hoewel tegenwoordig voor veel pesticiden en andere organische verontreinigingen antilichamen ontwikkeld zijn en ELISA's bij laboratorium- en veldanalyses toegepast worden [6.17], zijn deze antilichamen nog nauwelijks toegepast in fluoro-immunosensoren. De nadruk ligt op de detectie van eiwitten die van klinisch belang zijn [6.57, 6.59, 6.60]. Wel zijn de PAK benzo[a]pyreen [6,61] en benzo[a]pyreentetraol, het metabole biochemische afbraakproduktvan deze PAK [6.62], met fiber-optische fluoro-immunosensoren op sub-ppb-niveau gedetecteerd. Aan deze bepalingen kwam geen fluorescerend label te pas omdat beide verbindingen fluoresceren. Met een immunosensor voor trinitrotolueen, waarin wel labels zijn gebruikt, is 20-1200 ppb trinitrotolueen gedetecteerd [6.63], Voor de detectie van benzo[a]pyreen zijn antilichamen geïmmobiliseerd op de tip van een fiber die de chemische selector koppelt aan een LIFdetector met UV-excitatiebron. Als het benzo[a]pyreen met het antilichaam bindt, kan het emissielicht gedetecteerd worden. Hoewel het 50 minuten duurt yoordat in een 10' M benzo[a]pyreenoplossing het maximale signaal bereikt wordt, wordt het 50% signaal al na 10 minuten bereikt [6.61]. Voor de detectie van benzo[a]pyreentetraol zijn de antilichamen in een verwisselbare fibertip geïmmobiiiseerd [6.62]. Immunosensoren zijn meestal niet reversibel, wat een probleem vormt bij in-situ toepassingen. De reversibiliteit van de antilichaam-antigeen binding wordt bepaald door de grootte van de bindingsconstante. Een lage bindingsconstante resulteert in reversibiliteit, 'maar gaat ten koste van de gevoeligheid. Bindingen met een grote bindingsconstante zijn gevoelig en specifiek, maar meestal irreversibel. Daarom wordt gezocht naar methoden om immunosensoren te regenereren [6.56, 6.58, 6.59, 6.64]. Regenereren van een immunosensor is mogelijk door de sensortip (met geïmmobiliseerde antilichamen) te dopen in zogenaamde chaoptrische vloeistoffen [6.58]. Hierdoor wordt de antilichaam-antigeen binding selectief verbroken. Niet onderzocht is, of dit ook voor antilichaamhapten bindingen geldt. Deze oplossing maakt een immunosensor niet reversibel, maar wel regenereerbaar en daardoor toepasbaar in flowinjectiesystemen. Hetzelfde geldt voor het toevoeren van reagentia en antilichamen, geïmmobiliseerd op gelkorrels via capillairen [6.59].

89


stof Tabel 6.2 Detectielimieten voor verschillende stoffen bepaald met optische sensoren op basis van picrinezuur benzo[a]pyreen fluorescentie .

detectielimiet (ppb)

bereik (pM)

seiectiviteit

8,7-4300 0,01-1,2

indicatorreactie indicatorreactie

0,001-0,1

immunoreactie immunoreactie remote LIF

8,7 0,01 5x10' 0,2

benzo[a]pyreerttetraot benzo[a]pyreen fenol o-cresol benzo[a]pyreen

10 1 5

5-100 ppb

trinitrotolueen h'ydroquinone

20 80

20-1200 ppb 100-15.000 0,7-21

50 0,01 0,01 19x103

2,1-8x10' 1,5X10" 9x1O5-O,9 500- 10s

100

chloroform Mg J * Zn2* Cd!* K' K* Ca1' Ca'*

0,7 2,1 1 1,5x10"' 5 9x10 500 10 100 0,1

Mg"

0,1 0,05

J

Zn * [6.40] [6.42] [6.54]

[6.34]

(6.311

[6.32

[6.47]

[6.50]

[6.51]

[6.39] [6.55]

referentie

(MM)

390 4x10' 4 2,4 3,3

10-10' 10M0 4 0,1-10' 0,1-104 0,05-1

[6.40] [6.42] [6.62] [6.61] [6.24] [6.24]

remote LIF

[6.28]

immunoreactie enzymsensor

[6.63] [6.54]

indicatorreactie indicatorreactie indicatorreactie

[6311

indicatorreactie ionofoor ionofoor ionofoor fluoro-ionofoor

[6.34] [6.32] [6.32] [6.47] [6.50] [6.51] [6.39]

16391 enzymsensor

[6.55]

Quenching treedt op na selectieve extractie van picrinezuur (2,4,6-trinitrofenol) door de PAK pyreen in een PVC-membraan. Bepaling na complexering met 6-cydodextrine, ge'/mmobiliseerd op silica aan het eind van een optische fiber Verschillende naftaleensulfonzouten interfereren. Hydroquinone fungeert als modelstof voor polyfenolen. Oxidase enzymen zetten de polyfenolen om, waarbij zuurstof geconsumeerd wordt. Daardoor neemt de quenching van een porfyrineverbinding af. De detectie van chloroform (CI3CH) is gebaseerd op de Fujiwarareactie waarbij chloroform reageert met pyridine(derivaten) en een fluorescerend produkt gevormd wordt. Het kleurreagens 8-hydroxyqwnol\ne-5~sulfonzvur wordt met ultrafiltratie in de oplossing gedwongen. Complexvorming vindt plaats bij het membraanoplossing grensvlak. Na ultrafiltratie van het kleurreagens p-tosyl-8-aminoquinoline vindt complexvorming plaats. Onderscheid tussen beide ionen wordt gemaakt door te kijken naar spectrale en levensduurverschillen. Als K* in het PVC-membraan een complex vormt met de ionofoor valinomycine, dan gaat het positief geladen deel van de fluorescerende indicator uit het membraan steken. Daardoor neemt de fluorescentieintensiteit af. K* bindt selectief met de neutrale ionofoor valinomycine waardoor een lokaal elektrisch veld ontstaat in de Langmuir-Blodgett film dat de fluorescentie van de potentiaalgevoeüge indicator beïnvloedt. Caq* bindt selectief met een ionofoor waardoor een lokaal elektrisch veld ontstaat in de Langmuir-Blodgett film dat de fluorescentie van de potentiaalgevoelige indicator beïnvloedt. Beide ionen binden met een fluoro-ionofoor waarvan de fluorescentie na complexvorming verandert. Zn2* bindt aan het metallo-enzym waardoor de remmende stof dansylamide {N,N-dimethylamine nafthaleen-5-sulfonamide) aan het metallo-enzym kan binden. Dit versterkt de fluorescentie van het dansylamide en veroorzaakt ook een blauwverschuiving waardoor een ratlometing uitgevoerd kan worden.

De affiniteit van antilichamen voor antigenen is ook afhankelijk van de temperatuur en de hydrofobiciteit van het micromilieu. Het is mogelijk om de hydrofobicitelt te reguleren door met het antilichaam ook een 90


polymeer te immobiliseren, waarvan de conformatie reversibel verandert na de absorptie van lichtenergie. Een voorbeeld is trans-cis isomerisatie, waardoor de hydrofobiciteit van het micromilieu verandert en daarmee de affiniteit van de antilichaam-antigeen binding [6.64]. onderzoeksgroepen (in West Europa)

op fluorescentie gebaseerde FOCS • Analytical Division, Institute of Organic Chemistry, Karl Franzens University, Graz, Austria (O.S. Wolfbeis) - Instituut voor Milieuwetenschappen (IMW-TNO), Delft, (J. van Veen). optische immunosensoren - Projectgroup Biosensors, Gesellschaft für Biotechnologische Forschung mbH (GBF), Braunschweig, Deutschland, (R.D. Schmid)

6.2 Chemi- en bioluminescentietechnieken Door de chemiluminescentie te bepalen is detectie van een aantal opgeloste verbindingen mogelijk. Hierbij zijn picomolaire detectielimieten mogelijk zonder dat een lichtbron voor excitatie nodig is. principe

Chemiluminescentie (CL) en fluorescentie zijn aan elkaar verwant: moleculen zenden licht uit tijdens de relaxatie uit een aangeslagen toestand. Het verschil zit in het ontstaan van de geëxciteerde moleculen. Aan fluorescentie gaat de absorptie van optische energie vooraf terwijl bij CL de geëxciteerde moleculen gevormd worden in een chemische reactie. De geëxciteerde moleculen zenden tijdens de relaxatie licht uit of kunnen de energie overdragen aan een ander molecuul, voordat luminescentie kan plaatsvinden. In het laatste geval ziet de reactie er als volgt uit: A + B -> P* (1)

P* + S -> P + S* (2)

S* -> S + LICHT (3)

Hierbij kunnen drie stappen onderscheiden worden: (1) de vorming van een geëxciteerd reactieprodukt P*, (2) de energieoverdracht van het geëxciteerde reactieprodukt naar een andere verbinding S, (3) relaxatie van de geëxciteerde verbinding S \ waarbij emissie van licht plaatsvindt. Om luminescentie mogelijk te maken moet de reactie voldoende energie opleveren om een elektronisch geëxciteerd reactieprodukt of intermediair te vormen. Dit is het geval bij een aantal oxydatiereacties met sterke oxydatoren, zoals moleculaire zuurstof (Oa), hypochloriet en waterstofperoxyde (H2O2). De oxydatie van luminol is een bekende chemiluminescente reactie, waarvan analytische toepassingen bekend zijn [6.65, 6.66]. Bioluminescentie (BL) is een speciale vorm van (zichtbare) chemiluminescentie, die optreedt bij oxydatiereacties die gekatalyseerd worden door het enzym luciferase. Dit enzym komt onder andere voor in vuurvliegjes en enkele soorten mariene bacteriën. In vuurvliegjes oxydeert luciferase het substraat luctferin, waarbij zuurstof en ATP geconsumeerd worden. Bacterieel luciferase oxydeert aldehyden en consumeert daarbij zuurstof en NADH2. Door de oxydatiereactie met luciferase als katalysator te koppelen aan andere enzym reacties, is het mogelijk om (indirect) reactieprodukten van die enzymreacties te detecteren [6.67].

91


analytische toepassingen Het bepalen van de chemiluminescentie of de bioluminescentie heeft als voordeel dat excitatiebronnen niet nodig zijn. Daardoor ontbreekt ongewenste (achtergrond)emissie, wat de detectie van CL en BL in principe gevoeliger maakt dan het bepalen van de fluorescentie. Een nadeel is dat bij slechts weinig reacties CL gegenereerd wordt en dat altijd reagentia toegevoegd moeten worden. Hier komen een aantal luminescente reacties aan bod waarmee opgeloste stoffen gedetecteerd kunnen worden (zie ook Tabel 6.3) naast chemiluminescente immunoassays en analytische toepassingen van bioluminescentie. De meeste chemiluminescentie- en bioluminescentiebepalingen kunnen toegepast worden in een flowinjectiesysteem. chemiiuminescente bepalingen Een aantal analytische bepalingen is gebaseerd op de oxydatie van luminol door een sterke oxydator in basisch milieu [6.65, 6.66], Enkele metaalionen, als Co3+, CrJ+ en Fe1*, katalyseren deze reactie en kunnen daardoor in subnanomolaire concentratie gedetecteerd worden [6.68, 6.69, 6.70]. In een flow-injectiesysteem is 0,01 ppb Cr3+ gedetecteerd met H2O2 als oxydator 16.68]. De selectiviteit van de bepaling is verhoogd door EDTA toe te voegen. EDTA vormt namelijk snel complexen met ionen die de oxydatiereactie ook katalyseren, waardoor deze ionen niet interfereren in de bepaling. In zeewater is 0,05 nM Fe3* gedetecteerd met een geautomatiseerd flow-systeem aan boord van een schip [6,69]. De selectiviteit is hier verbeterd door Fe34 te preconcentreren op een kolom. Ook de oxydator in een chemiluminescente reactie kan in zeer lage concentraties gedetecteerd worden [6.65, 6.66]. Voor H2O2 is onder geoptimaliseerde laboratoriumomstandigheden een detectielimiet van 10 pM gehaald [6.70]. Met peroxidase-enzymen, die ook de oxydatie van luminol katalyseren, is detectie van H2O2 op uM-niveau mogelijk [6.71, 6.72, 6.73], Deze bepaling van H2O2 kan toegepast worden in enzymassays, waarin peroxyde gevormd wordt in de reactie [6.71, 6.651 In twee flow-injectietoepassingen voor op zee zijn AAn3* en Co3t in zeer lage concentraties gedetecteerd [6.74, 6,75]. Mn2*, dat de chemiluminescente oxydatie van tetraquinodlmethaan katalyseert, wordt on-line pre-geconcentreerd op een kolom, Een detectielimiet van 1 nM is mogelijk [6.74]. Een vergelijkbare preconcentratieprocedure is gevolgd voor de detectie van 8 pM Co3*, dat de chemiluminescente oxydatie van trihydroxybenzeenzuur katalyseert. Minder lage detectielimieten (ppm-niveau) zijn in zeewater haalbaar met de chemiluminescente detectie van detergentia die in de off-shore industrie toegepast worden [6.76], Deze detergentia, die toxisch zijn in concentraties boven 100 ppm, komen bij booreilanden in verhoogde concentraties voor in zee. In een selectieve chemiluminescente reactie met 0,4 M Na2CO3 in basisch milieu is het mogelijk om 0,1 ppb permanganaat te detecteren [6.77]. Toepassing in een flow-injectiesysteem is mogelijk. Nitraat en nitriet kunnen op ppb-niveau gedetecteerd worden door reductie tot het gasvormige NO, dat via een luminescente reactie reageert met ozon. De reductie van nitriet is mogelijk met iodide in zwak zuur milieu. Voor nitraat zijn sterkere reductoren als Fe2*, Mo6* of Ti3+ in een sterk zuur milieu nodig [6,78]. Deze bepaling is toegepast in een flowsysteem [6.79]. Met BrO" als oxydator is het mogelijk om NH 4 + te detecteren. De detectielimiet is 6 uM, terwijl ureum en humuszuren interfereren. Dit is geen probleem voor bepalingen in regenwater, maar voor toepassingen in het oppervlaktewater vormt de interferentie van

92


humuszuren een probleem [6,80], In basisch milieu is het mogelijk om met een chemiluminescente reactie CN" op nM-niveau te detecteren [6.81]. chemiluminescente immunoassays Luminolderivaten en (aan)verwante verbindingen kunnen toegepast worden als chemiluminescente labels in immunoassays [6.82, 6.83]. Hoewel het in de meeste gevallen in de literatuur om klinische eiwitbepalingen gaat, zijn in competitieve immunoassays ook kleine moleculen als hormonen gedetecteerd [6.82]. In de literatuur zijn geen toepassingen gevonden voor de detectie van organische verontreinigingen en pesticiden. Het is in principe wel mogelijk om antilichamen voor pesticiden [6.17] uit fluoro-immunoassays (zie §6.1) en ELISA's (zie §5.1) te combineren in een immunoassay met chemiluminescente labels. bioluminescente bepalingen Het is mogelijk om 10 uM Mg2+ te detecteren met de bioluminescente omzetting van ATP en iuciferin door luciferase [6.84]. Mg2+ is de cofactor van het enzym, waardoor de activiteit van het enzym bepaald wordt door de hoeveelheid Mg 2 '. In deze toepassing is het enzym geïmmobiliseerd op nylon in een flow-systeem waarin vaste hoeveelheden substraat gemengd worden met het monster. Met deze reactie kan ook ATP in lage concentraties gedetecteerd worden. Dit detectieprincipe worclt toegepast in enzymassays waarin ATP gevormd wordt [6.65, 6.67]. Een nieuw bioluminescent assay voor herbiciden die het fotosysteem blokkeren, is in ontwikkeling [6.85]. Het gaat hier om herbiciden als triazines, die binden aan het fotosysteem en daardoor de fotoreactie blokkeren. In een competitief assay concurreren herbiciden met quinonderivaten voor de beschikbare bindingsplaatsen van een bacterieel fotosysteem. De overmaat quinonmoleculen waaraan aldehydeketens gesubstitueerd zijn, fungeren als substraat voor het bacteriëie luciferase. De bioluminescentie kan gerelateerd worden aan de hoeveelheid omgezet aldehyde en daardoor aan de hoeveelheid gebonden herbicide. Meerdere verwante herbiciden binden met het fotosysteem, waardoor groepsdetectie mogelijk is [6.85], Dit kan zowel een voordeel als een nadeel zijn. Van luminescerende bacteriën is bekend dat de intensiteit van hun bioluminescentie afneemt onder invloed van verontreinigingen. Door de genen, die verantwoordelijk zijn voor de produktie van luciferase, met genetische technieken over te brengen in andere bacteriën, is het mogelijk om de recombinante bacteriën als bioluminescente indicator te gebruiken [6.86]. Als zo'n recombinante bacterie gevoelig is voor een specifieke verontreiniging, zal de bioluminescentie afnemen als de verontreiniging aanwezig is. Maar als de recombinante bacterie op verontreinigingen als alkanen, PAK's en andere aromatische verbindingen kan groeien, dan zal de bioluminescentie toenemen als zo'n verontreiniging aanwezig is. Dit type recombinante bacterie kan bijvoorbeeld als optische biosensor gebruikt worden om de biodegradatie van een verontreiniging in-situ te volgen. In [6.86] wordt een verkennend onderzoek beschreven, waarin een recombinante bacterie gebruikt wordt voor de detectie van anthraceen. Het onderzoek naar biosensoren met recombinante organismen staat echter nog in de kinderschoenen, terwijl ook de introductie van recombinante organismen in de natuur in de meeste landen streng gereguleerd is.

93


sensorontwikkelingen In een aantal toepassingen zijn optische fibers toegepast voor de detectie van de luminescentie [6.67, 6.72, 6.71, 6.73, 6.86], Ook in de andere analytische toepassingen uit Tabel 6.3 en in chemiluminescente immunoassays is in principe introductie van fibers voor de detectie van luminescentie mogelijk. Omdat in bijna alle gevallen reagentia toegevoegd moeten worden om de luminescente reactie mogelijk te maken, zijn chemiluminescente reacties wel geschikt om toe te passen in flow-injectie analyzers, maar niet voor in-situ sensoren. Tabel 6.3

detectielimiet

stof

Detectielimieten voor

(ppb)

bereik (uM)

methode

referentie

verschillende stoffen bepaald met 0,34

0,01-1000

CL

[6.72]

CL

[6.80]

chemi- en bioluminescentietechnieken in

H2O2

0,01

NH 4 *

6

een fiow-injectiesysteem

NO2'

1,1x103

0,05

1,1x10'5-1,6

CL

[6.78]

(CL=chemiluminescentie,

NO 3 "

0,08

5

0,08-4

CL

[6.78] [6.79]

Bb=bioluminescentie).

80

NO3'

0,016

1

0,016-16

CL

CN'

0,002

0,05

0,002-1

CL

[6.81]

H2O2

1x10'

3,4x10J

10 M

CL

[6.70]

!

1x10'

5,9x10*

10-*-1

CL

[6.70]

3

Cr *

1x10'4

5,2x103

10MO

CL

[6.70]

Co'*

8x10'

IO^XIO"1

CL

[6.75]

CL

[6.68]

CL

[6.69]

CL

[6.74]

CL

[6.77]

Co *

3

1,9x10"1

4,8x10'" 0,01

Fe *

3

5x10 s

2,8x10"3

Mn"

1x10*

5,5x103

MnC>4'

8x10'

0,1

Cr '

1,9x10^-0,12 9x10'5-1,8x103 10M0-2 8x10-|-0,08

Mg'*

50

1,2x103

50-6700

BL

[6.841

Me3*

10

2,4x10'

10-6700

BL

[6.84]

16.72]

Detectie is gebaseerd op de oxydatie van luminol door H 2 O 2 , gekatalyseerd door een peroxidase enzym.

[6.80]

Detectie is gebaseerd op de luminescente reactie van ammoniak met BrO'aSs oxydator in sterk basisch milieu. Ureum en humuszuren interfereren maar vertonen chemlluminescentie bij andere golflengtes.

[6.78]

Detectie is gebaseerd op de chemische reductie tot NO. !n de reactie met ozon treedt chemiluminescentie op. Reductie van NO 2 ' kan met iodide in zwak zuur milieu; voor NO3- zijn de sterkere reductoren Fe'*, Mo6* of Ti3* in een sterk zuur milieu nodig.

[6.79]

Dit is de verbeterde FIA-uitvoering van referentie [6.78],

[6.81]

Bepaling is gebaseerd op de chemiluminescente reactie van CN' met didodecyldimethylammoniumbromide in gevormde micellen en in basisch milieu.

[6.70]

Bepalingen zijn gebaseerd op de oxydatie van luminol, die door Cr3* en Co'* gekatalyseerd wordt.

[6.75]

Co'* versterkt de chemiluminescentie oxydatie van 3,4,5-trihydroxybenzeenzuur

[6.681

De bepaling is gebaseerd op de oxydatie van luminoi door H 2 O 2 die

met waterstofperoxyde in zwak basisch milieu. gekatalyseerd wordt door Cr3*. [6.69]

Bepaling is gebaseerd op de katalyserende werking van Fe3* op de oxydatie van luminol door H2O2 Preconcentratie van FeJ* op een kolom vergroot de selectiviteit en de gevoeligheid van de detectie.

[6.74]

Mn'* katalyseert de chemiluminescentie oxydatiereactie van 7,7,8,8tetracyanoqutnodimethaan

[6.77]

MnCv reageert met Na2CO3/KOH in oplossing.

[6.84]

Mg'* is een cofactor van het luciferase enzym. Het verschil in de detectielimieten wordt veroorzaakt door enzymen van verschillende bronnen, nl. de vuurvlieg en recombinante bacteriën.

94


onderzoeksgroepen (in West Europa) analytische toepassingen van chemiluminescentie School of Chemistry, University of Huil, Huil, UK, (A. Townsend, J.S. Lancaster). bioluminescentieprobes Laboratoire de Génie Enzymatique, Atelier de Biotechnologie CNRS, Univerité Ciaude Bernard Lyon 1, Vitleurbanne Cedex, France, (L.J. Blum, P.R. Coulet).

95



6.3 Referenties


Dovichi, N.J.; Martin, J,C; Jett, J.H.; Trkula, M.; Keiler, R.A.; 1984, Anal. Chem. 56 (3), pp. 348-54, Laser-induced fluorescence of flowing samples as an approach to singlemolecule detection in liquids

[6.2]

McGown, L.B.; 1989, Anal. Chem. 61 (14), pp. 839A-847A, Fluorescence lifetime filtering

[6,3]

Wong, A.L.; Harris, J.M.; 1989, Anal. Chem. 61 (20), pp 2310-15, Quantitative estimation of component amplitudes in multiexponential data: application to time-resolved fluorescence spectroscopy

[6.4]

Imasaka, T.; Hiraiwa, T.; Ishibashi, N.; 1989, A/likrochim. Acta 2 (4-6), pp. 225-31, Visible fluorescence spectrometry using second harmonie emission self-induced in semiconductor laser as a light source

[6,5]

Deniau, H.; Decambox, P.; Mauchien, P.; Moulin, C; 1993, Radiochim. Acta 61, pp. 23-28, Time-Resolved Laserinduced spectrofluorometry of UO23* in nitric acid solutions; preliminary results for on-line uranium monitoring applications

[6.6]

Beitz, J.V.; Bowers, D.L.; Doxtader, M.M.; Maroni, V.A.; Reed, D.T.; 1988, Radiochim. Acta 44/45, pp. 87-93, Detection and speciatton of transuranium elements in synthetic groundwater via pulsed-laser excitation

[6,7]

Johnson, P A ; Barber, T.E.; Smit, B.W.; Winefordner, J.D.; 1989, Anal. Chem. 61 (8), pp. 861-863, Ultralow detection limits for an organic dye determined by fluorescence spectroscopy with laser diode excitation

[6.8]

Harris, J.M.; 1982, Anal. Chem. 54 (13), pp. 2337-40, Fiow injection of ultratrace level samples into laser-based detectors

[6.9]

Kawabata, Y.; Imasaka, T.; Ishibashi, N.; 1986, Talanta 33 (3), pp. 281-3, Ultramicro flow-celi for semiconductor laser fluorometry

[6.10] Imasaka, T.; Yoshitake, A.; Ishibashi, N.; 1984, Anal. Chem. 56 (7), pp. 1077-9, Semiconductor laser fluorimetry in the near-infrared region [6.11] Okazaki, T.; Imasaka, T.; Ishibashi, N.; 1988, Anal. Chim. Acta 209 (1-2), pp 327-31, Optical-fiber sensor based on the second-harmonic emission of a nearinfrared semiconductor laser as light source

97


[6.35]

Milanovich, F.P.; Daley, P.F.; Klainer, SM.; Eccles, L.; 1986, Anal. Instrum. (N. Y.) 15 (4), pp. 347-58, Remote detection of organochlorides with a fiber optie based sensor. II; A dedicated portable fluorometer

[6.36]

Van Veen, J.J.F.; König, J.W.; 1993, TNO-rapport IMW-R93/180, Organohalogeen sensor gebaseerd op de Fujiwarareactie

[6.37]

Lohr, H-G.;Vogtle, F.; 1985, Ace. Chem, Res. 18, pp. 65-72, Chromo- and fluoroionophores: a new class of dye reagents

[6.38]

Blair, T.L.; Cynkowski, T.; Bachas, L.G.; 1993, Anal. Chem. 65 (7), pp. 945-947, Fluorocarbon-based immobilization of a fluoroionophore for preparation of fiber optie sensors

[6.39]

Suzuki, K.; Tohda, K.; Tanda, Y.; Ohzora, H.; Nishihama, S.; Inoue, H.; Shirai, T.; 1989, Anal. Chem. 61 (4), pp. 382-384, Fiber-optie magnesium and calcium ion sensor based on a natural carboxylic polyether antibiotic

[6.40]

Zeng, H-H.; Wang, K-Mr; Liu, C-L.; Yu, R-Q.; ' . 1993, Talanta 40 (10), pp. 1569-1573, A reverible optode membrane for picric acid based on the fluorescence quenching of pyrene

[6.41]

Hamasaki, K.; Ueno, A.; Toda, F.; 1993, J Chem. Soc. - Chem, Commun. 3, pp. 331-333, A fluorescent alpha-cyclodextrin as a sensor for detecting aliphatic alcohols by dual fluorescence arising from normal planar and twisted intramolecular charge transier excited states

[6.42]

Ütwiler, K.S.; Catena, C C ; Bright, F.V.; 1990, Anal. Chim. Acta 237, pp. 485-490, Simple fiber-optie sensor based on immob/lized beta-cyclodextrin

[6.43]

Kar, S.; Arnold, M A ; 1993, Talanta 40 (5), pp. 757-760, Air-gap fiber-optïc ammonia gas sensor

[6.44]

Mills, A.; Chang, Q.; 1993, Analyst 118 (7), pp. 839-843, Fluorescence plastic thinfilm sensor for carbon dioxide

[6.45]

Munkholm, C; Walt, D.R.; Milanovich, F.P.; 1988, Talanta 35 (2), pp. 109-112, A fiber-optie sensor for CO2 measurement

[6.46]

Bright, F.V.; Poirier, G.E.; Hieftje, G.M.; 1988, Talanta 35 (2), pp, 113-118, A new ion sensor based on fiber opties

[6.47]

Kawabata, Y.; Tahara, R.; Kamichika, T.,; imasaka, T.; Ishibashi, N.; 1990, Anal. Chem. 62 (14), pp. 1528-1531, Fiber-optie

98


potassium ion sensor using alkyl-acridine orange in plasticized poly(vinyl chloride) membrane [6.48]

Barnard, S.M.; Walt, D.R.; 1991, Environ. Sci. Technol. 25 (7), pp. 1301-4, Fiber-optie organic vapor sensor

[6.49]

Zhu, C; Hieftje, G.M.; 1990, Anal. Chem. 62 (19), pp. 2079-84, Feasibility of using liquid crystals for the development of molecularly selective fiber-optie chemical sensors

[6.50]

Schaffar, B.P.G.; Wolfbeis, O.S.; Leitner, A.; 1988, Analyst 113, pp. 693-697, Optica! sensors: effect of Langmuir-Blodgett layer composition on the response of ionselsective optrodes for potassium, based on the fluorimetric measurement of membrane potential

[6.51]

Schaffar, B.P.H.; Wolfbeis, O.S.; 1989, Anal. Chim. Acta217, pp. 1-9, A calcium-selective optrode based on fluorimetric measurement of membrane potential

[6.52]

JanataJ.; 1992, Anat. Chem. 64 (18), pp. 921A-927A, Ion optodes

[6.53]

Arnold, M A ; Wangsa, J.; 1991, in: Fiber Optical Chemical Sensors and Biosensors, Vol. 2, ed. O.S. Wolfbeis, Boca Raton, Chapter 16, pp. 193-216, Transducer-based and intrinsic biosensors

[6.54]

Papkovsky, D.B.; Ghindilis, A.L; Kurochkin, I.N.; 1993, Anal. Lett. 26 (7), pp. 1505-1518, Flow-cell fibre-optic enzyme sensor for phenols

[6.55]

Thompson, R.B.; Jones, E.R.; 1993, Anal. Chem. 65 (6), pp. 730-734, enzyme-based fiber optie zinc biosensor

[6.56]

Vo-Dinh, T.; Griffin, G.D.; Sepaniak, M.J.; 1991, in: Fiber Optie Chemical Sensors and Biosensors Vol. 2, ed. O.S. Wolfbeis, CRC Press, Boca Raton, Chapter 17, pp. 217-258, Fiberoptic immunosensors

[6.57]

Tromberg, B.J.; Sepaniak, M.J.; Vo-Dinh, T.; Griffin, G.D.; 1987, Anal. Chem. 59, pp. 1226-1230, Fiber-optie chemical sensors for competitive binding fluoroimmunoassay

[6.58]

Bright, F.V.; Betts, T A ; LitweiSer, K.S.; 1990, Anal. Chem. 62 (10), pp. 1065-1069, Regenerable fiber-optic-based immunosensor

[6.59]

Bowyer, J.R.; Alarie, J.P.; Sepaniak, M.J.; Vo-Dinh, T.; Thompson, R.Q.; 1991, Analyst 116, pp. 117-122, Construction and evaluation of a regenerable fluoroimmunochemicai based fibre optie biosensor

[6.60]

Petrea, R.D.; Sepaniak, M.J.; Vo-Dinh, T,;

99


1988, Talanta35 (2), pp. 139-144, Fiber-optie time-resolved fluorimetty for immunoassays [6.61]

Vo-Dinh, T.; Tromberg, B.J.; Griffin, G.D.; Ambrose, K.R.; Sepaniak, M.J.; Gardenshire, E.M.; 1987, Appl. Spectrosc, 41, pp. 735, Antibody-based fiber opties biosensor for carcinogen benzo[a]pyrene

[6.62]

Tromberg, B.J.; Sepaniak, M.J.; Alarie, J.P.; Vo-Dinh, T.; Santella, R.M.; 1988, Ana!. Chem. 60 (18), pp. 1901-1908, Development of antibody-based fiber-optie sensors for detection of a benzo[a]pyrene metaboüte

[6.63]

Whelan, J.P.; Kusterbeck, A.W.; Wemhoff, G.A.; Bredehorst, R.; Ligler, F.S. 1993, Anal. Chem. 65 (24), pp. 3561-3565, Continuous-flow immunosensorfor detection of explosives

[6.64]

Andrade, J.D.; Liu, J.N.; Herron, J.; Reichert, M.; Kopeck, K.; 1986, SPIE vol. 718, pp. 280, Fiber optie immunosensors: sensors or dosimeters, fiber optie and laser sensors

referenties uit 6.2

[6.65]

Lancaster, J.S.; 1992, Endeavour 16 (4), pp. 194-200, Chemiluminescence detection in analytical chemistry

[6.66]

Townshend, A.; 1990, Analyst 115, pp. 495-500, Solution chemiluminescence - som e recent analytical developments

[6.67]

Blum, L.J.; Coulet, P.R.; 1991, in: Fiber Optie Chemical Sensors and biosensors, O.S. Wolfbels (ed.), CRC Press, Boca Raton, Chapter 20, pp. 301315, Chemiluminescence and bioluminescence based optical probes

[6.68]

Escobar, R.; Lin, Q.X.; Guiraum, A.; Delarosa, F.F.; 1993, Analyst 118 (6), pp. 643-647, Flow injection chemiluminescence method for the selective determination of chromium(lll)

[6.69]

Obata, H.; Karatani, H.; Nakayama, E.; 1993, Anal. Chem. 65 (11), pp. 1524-1528, Automated determination of iron in seawater by chelating resin concentration and chemiluminescence detection

[6,70]

Jalkian, R.D.; Denton, M.B.; 1988, Appl. Spectrosc. 42 (7), pp. 1194-1199, Ultra-tracelevel determination of cobalt, chromium and hydrogen peroxide by luminol chemiluminescence detected with a charge-coupled device

[6.71]

Blum, L.J.; Plaza, J.M.; Coulet, P.R.; 1987, Anal. Lett20 (2), pp. 317-326, Chemiluminescent analyte microdetection based on the luminol-h^CVj reaction using peroxidase immobilzed on new synthetic membranes

100


[6.72]

Preuschoff, F.; Spohn, U.; Blankenstein, G.; Mohr, K.H.; Kula, M.R.; 1993, Fres. J Anal. Chem. 346 (10-11), pp. 924-929, Chemiluminometric hydrogen peroxide sensor for flow injection analysis

[6.73]

Freeman, T.M.; Seitz, W.R.; 1978, Anal. Chem. 50 (9), pp. 1242-1245, Chemiluminescence fiber optie probe for hydrogen peroxide based on the luminol reaction

[6.74]

Chapin, T.P.; Johnson, K.S.; Coale, K.H,; 1991, Anal. Chim. Acta 249, pp. 469-478, Rapid determination of manganese in sea water by flow-injection anafysis with chemiluminescence detection

[6.75]

Sakomoto-Arnold, CM.; Johnson, K.S.; 1987, Anal. Chem. 59 (14), pp. 1789-1794, Determination of picomolar levels of cobalt in seawater by flow injection analysis with chemiluminescence detection

[6.76]

Lancaster, J.S.; Worsfold, P.J.; Lynes, A.; 1990, Anal. Chim. Acta 239, pp. 189-194, Determination of a non-ionic surfactant in aqueous environmental samples by flow-injection analysis with chemiluminescence detection

[6.77]

Fan, Z.; Qingxiong, L; 1993, Talanta 40 (10), pp. 1557-61, A new chemiiuminescence system: MnO 4 -Na3 CO3-KOH and its application in the determination of manganese

[6.78]

Cox, R.D.; 1980, Anal.Chem. 52 (2), pp. 332-335, Determination of nitrate and nitrite at the parts per billion level by chemiluminescence

[6.79]

Yoshizumi, K.; Aoki, K.; Matsuoka, T.; Asakura, S.; 1985, Anal. Chem., 57 (3), pp. 737-40, Determination of nitrate by a flow system with a chemiluminescent nitrogen oxide (NOX) analyzer

[6.80]

Hu, X.; Takenaka, N.; Takasuna, $.; Kitano, M.; Bandow, H.; Maeda, Y.; 1993, Anal. Chem. 65 (23), pp. 3489-3492, Determination of ammonium ion in rainwater and fogwater by flow injection analysis with chemiluminescence detection

[6.81]

Ishii, M.; Yamada, M.; Suzuki, S.; 1986, Anal. Lett 19 (15/16), pp. 1591-1601, Didodecyldimethylammonium bromide bilayer vesiclecatalyzed and uranine-sensitized chemiluminescence for determination of free cyanide at picogram levels by flow injection method

[6.82]

Woodhead, J.S.; Weeks, l.;1985, Pure Appl. Chem. 57 (3), pp. 523-529, Chemiluminescence immunoassay

[6.83]

Weeks, I.; Woodhead, J.S.; 1988, Trends Anal. Chem. 7 (2), pp. 55-58,

101


Chemiluminescence immunoassays [6.84]

Cirotti, S.; Ferri, E.; Ghini, S.; Rach, P.; Carrea, C ; Bovara, R.; Roda, A.; Giosue, M A ; Masotti, P,; Gangemi, G.; 1993, Analyst 118, pp. 849-853, Bioluminescent flow-sensing device for the determination of Magnesium

[6.85]

Jockers, R.; Schmid, R.D.; 1993, Biosens. Bioelectron. 8, pp. 281-289, Detection of herbicides via a bacterial photoreaction centre and bacterial luciferase

[6.86]

Ryan-Baker, M.; Vo-Dinhr T.; Grlffin, G.D.; Miller, G.H.; Alarie, J.P.;Burlage, R.S.; Palumbo, A.V.; White, D.C; Herbes, W.S.; 1992, In: Environmental and Process Monitoring Technologies, SPIE Vol. 1637, pp. 196-207, Optical monitor for microbial metabolism for hazardous waste application

102


7 Ramantechnieken

Het aantal toepassingen van Ramanspectroscopie voor de detectie van lage concentraties opgeloste verbindingen in water was klein tot voor kort, maar groeit momenteel sterk. Verschillende Ramantechnieken, waarvan analytische toepassingen bekend zijn, worden behandeld in §7.1. In deze paragraaf komen Resonance Raman Spectroscopie (RRS) en Surface Enhanced Raman Spectroscopy (SERS) aan bod. Vooral SERS staat in de belangstelling als een veelbelovende techniek voor de continue monitoring van organische verontreinigingen in grond-, afvalen oppervlaktewater. 7.1 Ramanspectroscopie principe

Inelastische verstrooiing van licht vormt de basis voor Ramanspectroscopie. In een transparant monster gaat het grootste deel van een monochromatische lichtbundel (meestal zichtbaar licht) door de vloeistof zonder dat interactie optreedt. Een klein, deel van het invallende licht wordt verstrooid. Als de verstrooiing elastisch is, verandert de frequentie van het verstrooide licht niet. Bij inelastische verstrooiing (onder andere Ramanverstrooiing) verandert de frequentie van het licht wel. Bij Ramanverstrooiing komt de freqitentieverandering overeen met een vibrationele overgang in de grondtoestand van het molecuul (zie Figuur 7.1 B en 7.1 C). Een Ramanspectrum, waarin verschillende vibratieovergangen zichtbaar zijn, wordt gewoonlijk weergegeven door de intensiteit van het verstrooide licht uit te zetten tegen de frequentieverschuiving ten opzichte van de frequentie van de invallende bundel. £en spectrum kan opgenomen worden door het verstrooide licht met een monochromator of een diodearray te analyseren.

Figuur 7.1 Verschillende interacties van EM straling met opgeloste verbindingen die kunnen leiden tot de excitatie van vibratieniveaus in de grondtoestand: absorptie van IR licht (A), Ramanverstrooiing (B), resonante Ramanverstrooiing (C), absorptie gevolgd door relaxatie via fluorescentie terug naar een geêxciteerd vibratieniveau in de grondtoestand (D).

aangeslagen toestand

grond toestand

(C)

103

(D)


Hoewel Ramanspectroscopie, net als IR spectroscopie, een techniek is waarmee vibratietoestanden geëxciteerd kunnen worden, verschilt het excitatiemechanisme (zie Figuur 7.1 A en 7.1 B) en worden niet dezelfde vibratietoestanden geëxciteerd. Een vibratietoestand is namelijk IR-actief of Ramanactief. Sterk polariseerbare bindingen in een molecuul, bijvoorbeeld dubbele of driedubbele bindingen met een jt-karakter zoals C=C en C=N bindingen, zijn vooral Ramanactief en nauwelijks IR-actief. O'mgekeerd zijn bindingen die sterk IR-actief zijn, zoals OH-bindingen, nauwelijks Ramanactief. Dat maakt deze twee vibrationele technieken complementair, wat betreft informatie over vibratieniveaus. Resonance Ramanspedroscopy De intensiteit van Ramanverstrooiing is normaliter te klein om opgeloste stoffen in lage concentraties te kunnen detecteren. Dit is wel mogelijk met Resonance Ramanspectroscopy (RRS)r waarmee detectieümieten op micromoiair niveau mogelijk zijn [7.1, 7.2]. Bij RRS wordt gebruik gemaakt van de resonantieversterking van het Ramansignaal, die optreedt als het invallende licht binnen de absorptieband van een elektronische overgang valt. Hierdoor kan het Ramansignaal maximaal een factor 10* versterkt worden [7.1, 7.3]. Het voordeel voor analytische en ook spectroscopische toepassingen is dat het Ramanspectrum van het oplosmiddel niet resonant versterkt wordt als het oplosmiddel niet absorbeert bij de golflengte van de excitatiebundel. Dit geldt bijvoorbeeld voor water, dat geen elektronische overgangen in het zichtbare gebied of nabije UV heeft. Daarom zal nauwelijks resonantieversterking van het Ramansignaal optreden. Hoewel resonantieversterking van het Ramaneffect lijkt op fluorescentie, zijn het verschillende optische processen, gebaseerd op totaal verschillende interacties van EM straling en materie (zie Figuur 7.1 C en 7.1 D). Bij fluorescentie leidt absorptie van stralingsenergie tot elektronische excitatie voordat emissie kan plaatsvinden. Bij opgeloste verbindingen zal door botsingen met oplosmiddelmoleculen eerst stralingsloze relaxatie naar het laagste vibratieniveau van de aangeslagen toestand optreden, voordat relaxatie door middel van het uitzenden van licht kan plaatsvinden. Bij resonante Ramanverstrooiing vindt geen elektronische excitatie plaats, maar vibrationele excitatie in de grondtoestand. De energie die hiervoor nodig is, wordt geabsorbeerd van het invallende licht, waardoor dit met veranderde frequentie verstrooid wordt. Surface Enhanced Ramanspectroscopy Ook bij geadsorbeerde verbindingen treedt versterking van de Ramanverstrooiing op. Bij een geschikt substraat waarvan het oppervlak geruwd is, kan de intensiteit van het Ramansignaal met een factor 107 toenemen. Met Surface Enhanced Ramanspectroscopy (SERS) is daardoor detectie van geadsorbeerde submonolagen mogelijk, wat ruwweg overeenkomt met micromolaire concentraties in de oplossing [7.4]. Als adsorptie aan een oppervlak gecombineerd wordt met resonantieversterking neemt de intensiteit van het Ramanspectrum nog verder toe. Met deze Ramantechniek, die Surface Enhanced Resonance Raman Spectroscopy (SERRS) wordt genoemd, zijn picomolaire detectielimieten haalbaar [7.41. Lokale amplitudeveranderingen van de invallende EM straling bij het geruwde oppervlak van het substraat zijn grotendeels verantwoordelijk voor de oppervlakteversterking van het Ramaneffect. Materiaaleigenschappen van het adsorptiemedium, zoals de plasmonresonantie (die afhangt van de deeltjesgrootte en -vorm) en de waarden van de imaginaire en reële component van de brekingsindex

104


bepalen de grootte van de versterkingsfactor. Door deze randvoorwaarden zijn alleen de edele metalen goud (Au), zilver (Ag)r koper (Cu) en de alkalimetalen geschikte adsorptiemedia voor zichtbaar licht. Voor IR licht komen de metalen gallium (Ga) en platina (Pt) in aanmerking als adsorptiemedium voor SERS. analytische toepassingen In een aantal studies zijn verontreinigingen die in het oppervlaktewater voorkomen, gedetecteerd met Ramantechnieken. De voorbeelden in Tabel 7.1 laten zien dat vooral organische verbindingen met SERS zijn gedetecteerd. Resonance Ratnanspectroscopy Met RRS zijn micromolaire detectielimieten voor opgeloste organische verbindingen haalbaar [7.1, 7.3], zoals onder andere is aangetoond voor verschillende nitrofenolverbindingen [7.5, 7.6, 7.7], PAK's [7.8] en verschillende azo-verbindingen [7.9], In [7.6] gaat het om nitroverbindingen zoals de commerciële pesticiden ditrosol (2-methyl4,6-dinitrofenol), dichloran (2,6-dichloor-4-nitroaniline) en dinoseb (4,6dinitro-2-sec-butylfenyi), die in het zichtbare violet of het nabije UV absorptiebanden hebben. Bij bepalingen in rivierwater waaraan deze pesticiden toegevoegd zijn, interfereert de fluorescentie van andere opgeloste verbindingen [7.6]. Ook ongekleurde verbindingen die geen absorptiebanden.in het UV of zichtbare gebied hebben, kunnen met RRS gedetecteerd worden door een chromofoor te substitueren via een kleuringsreactie [7.3]. Na derivatisering kunnen fenol, o-creso! en m-cresol op ppb-niveau gedetecteerd worden. Als de excitatiegolflengte korter is dan 300 nm, vormt fluorescentie geen aantrekkelijk relaxatiekanaal meer, waardoor interferentie van fluorescentie vermeden kan worden. Dit maakt detectie van de PAK's anthraceen en pyreen op micromolair niveau mogelijk met UV-RRS [7.8]. Het grote voordeel van RRS is dat het Ramanspectrum van een opgeloste verbinding selectief versterkt kan worden zonder dat de nietresonante achtergrond ook versterkt wordt. Het is ook mogelijk om delen van een molecuul, zoals chromoforen, selectief te versterken, als het invallende licht binnen de absorptieband van de chromofoor valt. Dit heeft als nadeel dat resonante Ramanspectra van verschillende verbindingen met dezelfde of verwante chromoforen op elkaar lijken, wat ten koste gaat van de selectiviteit. Als licht boven de 300 nm toegepast wordt, kan fluorescentie interfereren wat ten koste gaat van de gevoeligheid [7.1]. Surface Enhanced Ramanspectoscopy Doordat SERS grote gevoeligheid combineert met informatie over de moleculaire fingerprint in het vibratiespectrum kunnen de meeste organische verbindingen met SERS gedetecteerd worden [7.10]. Hier ligt de nadruk op de detectie van organische verontreinigingen. Met SERS zijn na adsorptie op met zilver gecoate bolletjes verschillende organofosforverbindingen in ethanol gedetecteerd [7.11]. De spectra van deze pesticiden, waaronder methyiparathion, vertonen voor micromolaire concentraties dusdanige verschillen dat onderscheid gemaakt kan worden tussen de verschillende pesticiden. Vergelijkbare detectielimieten met zilver gecoate substraten zijn haalbaar voor dopamine [7,12], pyridine [7.133 en derivaten van PAK's [7.14, 7.15]. Humuszuren die in het oppervlaktewater voorkomen, adsorberen niet op de zilvercoatings [7.13]. De combinatie van resonantieversterking en oppervlakteversterking van 105


het Ramansignaal maakt picomolaire detectielimieten mogelijk [7,16], Bij resonante Ramanbepalingen met lichtbronnen in het nabije UV of zichtbare gebied, kan fluorescentie interfereren. Met diodelasers als lichtbron zal de achtergrondemissie echter sterk afnemen, omdat bij langere golflengtes het relaxatiekanaal via fluorescentie minder waarschijnlijk is. Ondanks de verminderde achtergrondemissie, liggen detectielimieten voor pyridine en quinoline met diodelasers als lichtbron hoger dan de detectielimieten met lichtbronnen in het zichtbare gebied [7.17], Waarschijnlijk speelt de vermindering van de Ramanintensiteit bij langere golflengtes hier een rol in. De toepassing van NIR-lichtbronnen, zoals diodelasers, is in SERS daarom minder aantrekkelijk voor de detectie van lage concentraties organische verontreinigingen. Door een spanning aan te brengen op het substraat, bijvoorbeeld een zilverelektrode, is het mogelijk om een specifieke vibratieovergang te benadrukken ofte verzwakken t7.13]. Dit komt omdat het vibratiespectrum van een geadsorbeerde verbinding afhangt van de oriëntatie van het geadsorbeerde molecuul ten opzichte van het oppervlak. Als de elektrodepotentiaal verandert en een andere oriëntatie daardoor gunstiger wordt, is dit zichtbaar in het vibratiespectrum. Voor een oplossing met pyridine en quinoline is dit duidelijk zichtbaar [7.13], Ook voor een drietal opgeloste PAK's in tamelijk hoge concentraties (>5 mM), is het SERS-spectrum bruikbaar om de PAK's te onderscheiden [7.18]. Voor oplossingen met meer dan drie componenten of lagere concentraties opgeloste verbindingen zijn geen experimentele gegevens gevonden in de literatuur. Tabel 7.1 Detectielimieten van enkele opgeloste verbindingen die met Ramantechnieken bepaald zijn (RRS=Resonance Raman Spectroscopy, SERS=Surface Enhanced Raman Spectroscopy, SERRS=Surfaced Enhanced Resonance Raman Scattering).

detectielimiet (uM) (ppb)

stof

2-nitrofenol 2,4-dirtitrofend ditrosol dicbloron

800 700 900 400

dinoseb fenol

500 10

0,1 0,1

o-cresol m-cresol

0,1

anthraceen pyreen

0,1 0,1 1 1

1 -nitropyreen 9-nitroanthraceen 2-nitronaftaleen dopamlne quinoline

6 500

pyridine crystal violet benzoëzuur o-broomfenol o-chloorfenol p-aminobenzoëzuur 3-carboxybenzoëzuur 1-aminopyreen benzoëzuur carbazole p-aminobenzöezuur

3x10 s 1,8 3,6 1,8 2,8

methode

[7.6] 17.6] 17.6]

RRS RRS RRS

[7.6] [7.6] [7.3] [7.3] [7.3]

0,1-1000 0,1-1000

UV-RRS

0,3-100 6-6.000 500-5X101 1OM

SERS

[7.15] [7.15] [7.15]

SERS SERS SERS

220 629

SERRS SERS SERS

0,2

237 38 34

SERS SERS SERS

5 1

122

5-200 1-100 0,1-1000

8

0,7-8x101

0,1 0,7

17.81 [7.8]

SERS SERS SERS 700 4.000

referentie

RRS RRS RRS

RRS RRS UV-RRS

1-100

100 100 0,3

2-nitrofluoreen

[7.6]

10 10 12 20

bereik (pM)

SERS SERS SERS SERS

[7.15] [7.12] [7.13] [7.13] [7.16] [7.22] [7.22] [7.22] f7.22] [7.22] [7.14] [7.14] [7.14] [7.19]

De bestrijdingsmiddelen ditrosol, dichloran en dinoseb hebben als chemische naam respectievelijk 2-methyl-4,6-dinitrofenol, 2,6-dichloro-4-nitroaniline en

106


17.3]

4,6-dinitro-2-sec-butylfenol. Detectie van deze ongekleurde verbindingen met RRS is mogelijk na reactie met

[7.22]

een nitroaniline-verbinding, die als chromofoor fungeert. Alle bepalingen zijn uitgevoerd in ethanol. De bepaling is uitgevoerd op een zilverelektrode met een negatieve spanning. De metingen zijn uitgevoerd na adsorptie van beide verbindingen op een zilverelektrode waarvan de potentiaal gevarieerd kon worden. Alle metingen met de fiber-optische Ramanspectrometer zijn uitgevoerd in

[7.19]

ethanol, Het p-aminobenzoëzuur wordt geïnjecteerd in een continu stromende vloeistof

[7.15] [7.12] [7,13]

met zilversol-deeltjes bij pH = 3 in een flow-injectiesysteem (FIA).

FIA kan gecombineerd worden met een SERS-detector [7.19, 7,20]. In [7.19] zijn kleine hoeveelheden p-aminobenzoëzuur geïnjecteerd in een continue stroom van zilversoldeeltjes die als adsorptiemedium fungeren. Hiermee kan p-aminobenzoëzuur op ppb-niveau gedetecteerd worden. In [7.20] is een vergelijkbaar flow-injectiesysteem gekoppeld aan een chromatografiekolom. Hoewel het mogelijk is om individuele componenten zeer gevoelig te detecteren, kent SERS beperkingen voor de detectie van verontreinigingen in monsters met meerdere componenten of voor insitu bepalingen in het oppervlaktewater. De detectielimiet hangt af van het adsorptiegedrag van een verbinding. Adsorptie aan een vaste stof is namelijk een evenwichtsproces, dat niet alleen afhangt van de concentratie. Ook parameters als pH, ionsterkte en elektrodepotentiaal zijn van belang. Omdat de adsorptie aan metalen bovendien weinig selectief is, treedt in een oplossing met meerdere componenten competitieve adsorptie op. Dit proces is ook van invloed op het evenwicht van individuele componenten, als het aantal adsorptieplaatsen beperkt is. Verbetering van de selectiviteit door een polymeerlaag te coaten op het metaalsubstraat staat in de belangstelling en lijkt perspectief te bieden [7.21], sensortoepassingen Introductie van optische fibers om de lichtbundel naar het monster en verstrooid licht naar de detector te transporteren maakt "remote" bepalingen mogelijk met RRS [7.9, 7.26] en met SERS [7.12, 7.21, 7.22, 7.23, 7.24, 7.25]. In de meeste gevallen worden twee fibers toegepast, maar ook monofiber Ramanoptrodes bestaan [7.26], Detectieltmieten met optische fibers zijn zowel voor RRS als voor SERS vergelijkbaar met detectielimieten behaald zonder optische fibers. Met fibers zijn azoverbindingen met RRS in stromend water op ppm-niveau [7.9] en gesubstitueerde aromaten met SERS in ethanol op jiM-niveau gedetecteerd [7.22], Verschillende onderzoeksgroepen in de Verenigde Staten werken aan de ontwikkeling van een SERS-veldinstrument voor de detectie van verontreinigingen in grond-, afvalen oppervlaktewater [7.21, 7.24, 7.25, 7.27]. In een laboratoriumstudie is met een draagbare NIR-Ramanspectrometer tegelijkertijd de concentratie sulfaat, trichloorethyleen, tolueen, xyleen, nitraat, chloorbenzeen, ferri- en ferrocyanide in verschillende oplossingen bepaald [7.21]. Met deze Ramanspectrometer is het mogelijk om zwaar verontreinigd vloeibaar afval in opslagtanks continu te monitoren en chemische processen in de tanks te volgen. Ook is het mogelijk om omvang en aard van opgeslagen verontreinigingen op een locatie snel in kaart te brengen. Bij deze toepassing gaat het om een toepassing van conventionele Ramanspectroscopie waarmee slechts detectielimieten op millimolair niveau haalbaar zijn. Dit was overigens voldoende om de verontreinigingen in de tanks te monitoren [7.21].

107


In een toepassing van SERS wordt de selectiviteit vergroot door een coating aan te brengen op een elektrode van SERS-actief materiaal. Gechloreerde koolwaterstoffen, zoals trichloorethyleen, die niet op metalen adsorberen, adsorberen wel op de coating waarbij oppervlakteversterking van het Ramansignaal behouden blijft [7.21]. Met de elektrode is het mogelijk om organische verbindingen te reduceren, waarvan de intermediairen reageren met de coating of met verbindingen in het elektrodemembraan. Als de oppervlakteversterking van het Ramansignaal behouden blijft, is detectie met SERS mogelijk. Dit heeft als voordeel dat niet continu gemeten hoeft te worden, waardoor elektrode, coating en membraan met reagentia langer meegaan [7.21], In [7.25] wordt een draagbaar prototype van een fiber-optisch SERSveldinstrument beschreven voor de monitoring van grond- en oppervlaktewater en proces- en afvalwaterstromen. Het gaat om de detectie van verbindingen zoals gechloreerde koolwaterstoffen, nitroverbindingen, PAK's en aminoverbindingen. Het prototype is een compact apparaat met redelijk kleine afmetingen (0,3x0,4x0,2 m) en een massa van 15 kg. Het is uitgerust met een diodelaser en een CCD(Charge Coupled Device)-detector [7.25, 7.27]. Goed uitgewerkte veldmetingen voor de detectie van verontreinigingen in grond- en oppervlaktewater zijn nog niet bekend. Dit is wel het geval voor de detectie van verdampt benzoëzuur in een uitvoering van het instrument dat geschikt is als dosimeter voor verontreinigingen in dampvorm en aërosolen bijvoorbeeld op de werkvloer [7.28], onderzoeksgroepen (in West-Europa) Ramanoptrodes voor in vivo toepassingen Laboratoire PCM, Ecole Centrale Paris, Chatenay-Malabry Cedex, (N.Q. Dao, M. Jouan)

108


7.2 Referenties

[7.1]

Morris, M.D.; Wallan, DJ.; 1979, Anal. Chem. 51 (2), pp 182A-192A, Resonance Raman spectroscopy: Current applications and prospects

[7.2]

Davies, J.E.D.; 1993, Sci. Total Envir. 135 (1-3), pp. 145-152, The use of vibrational spectroscopy in water analysis

[7.3]

Haverbeke, L. van; Janssens, J.F.; Herman M.A.; 1981, Int. J. of Environ. Anal. Chem. 10 (3/4), pp. 205-215, Resonance Raman spectroscopy as a tooi for the detection and identificatfon of polfutants in water

[7.4]

Garrell, R.L.; 1989, Anal. Chem. 61 (6), pp. 401A-411A, Surface-enhanced Raman spectroscopy

[7.5]

Marley, N.A.; 1985, Diss. Abst. Int. Part B - Sci. & Eng., Vol. 45 (11), p. 156, The analysis of phenols in water by Raman spectroscopy.

[7.6]

Thibeau, RJ.; Van Haverbeke, L; Brown, C.W.; 1978, Appl. Spectrosc. 32 (1), pp. 98-100, Detection of water pollutants by laser excited resonance Raman spectroscopy; pesticides and fungicides

[7.7]

Marley, N.A.; Mann, C.K.; Vickers, T.J.; 1985, Appl. Spectrosc. 39 (4), pp, 628-633, Raman spectroscopy in tracé analysis for phenols in water

[7.8]

Asher, S.; 1984, Anal. Chem. 56 (4), pp. 720-724, Ultraviolet resonance Raman spectrometry for detection and speciation of tracé polycyclic aromatic hydrocarbons

[7.9]

Vickers, T.J.; Mann, C.K.; 1992, in: Environmental and Process Monitoring Technologies, SPIE Vol. 1637, pp. 62-71, Monitoring by fiber-optie Raman spectroscopy

[7.10]

Lasema, J.J. 1993, Anai. Chim. Acta 283, pp., 607-622, Combining fingerprinting capability with tracé analytica! detection: surfaceenhanced Raman spectrometry

[7.11]

Alak, A.M.;Vo-Dinh,T.; 1987, Anal. Chem. 59 (17), pp. 2149-53, Surface-enhanced Raman spectrometry of organophosphorus chemical agents

[7.12]

Lee, N.S.; Hsieh, Y.Z.; Paisley, R.F.; Morris, M.D.; 1988, Anal. Chem. 60 (5), pp. 442-6, Surface-enhanced Raman spectroscopy of the catecholamine neurotransmitters and related compounds

109


C7.13] Carrabba, M.M.; Edmonds, R.B.; Rauh, R.D.; 1987, Anal. Chem. 59 (21), pp. 2559-2563, Feasibility studies for the detection of organic surface and subsurface water contamïnants by surface-enhanced Raman spectroscopy on silver electrodes [7.14] Vo-Dinh, T.; Hiromoto, M.Y.K.; Begun, C M . ; Moody, R.L.; 1984, Anal. Chem. 56, pp. 1667-1670, Surface-enhanced Raman spectrometry for tracé organic analysis [7.15] Enlow, P.D.; Buncick, M.; Warmack, R.J.; Vo-Dinh, T.; 1986, Anal. Chem. 58 (6), pp. 1119-1123, Detection ofn'itro polynuclear aromatic compounds by surface-enhance Raman spectometry [7.16] Sheng, R.S.; Zhu, L; Morris, M.D.; 1986, Anal. Chem. 58 (6), pp 1116-19, Sedimentation classification of silver colioids for surface-enhanced Raman scattering [7.17] Angel, S.M.; Myrick, M.L; 1989, Anal, Chem. 61 (15), pp. 1648-52, Near-infrared surfaceenhanced Raman spectroscopy using a diode laser [7.18] Vo-Dinh, T.; Meier, M.; Wokaun, A.; " • 1986, Anal. Chim. Acta 181, pp. 139-148, Surface-enhanced Raman spectrometry with silver particles on stochastic-post substrates

[7.19] Berthod, A.; Laserna, J.J.; Winefordner, J.D.; 1987, Appl. Spectrosc. 41 (7), pp. 1137-1141, Surface enhanced Raman spectrometry on silver hydrosols studied by flow injection analysis [7.20] Freeman, R.D.; Hammaker, R.M.; Meloan, CE'.; Fateley, W.G.; 1988, Appl. Spectrosc. 42 (3), pp. 456-460, A detector for liquid chromatography and flow injection analysis using surfaceenhanced Raman spectroscopy [7.21] Vess, T.M.; Angel, S.M.; 1992, in: Environmental and Process Monitoring Technologies, SPIE Vol. 1637, pp. 118-125, Near-visible Raman instrumentation for remote multi-point process monitoring using optical fibers and optical multiplexing [7.22] Bello, J.M.; Narayanan, A.; Stokes, D.L.; Vo-Dinh, T.; 1990, Anal. Chem. 62 (22), pp. 2437-2441, Fiber-optie remote sensor for in situ surface-enhanced Raman scattering analysis [7.23] Bello, J.M.; Vo-Dinh, T.; 1990, Appl. Spectrosc. 44 (1), pp. 63-69, Surface-enhanced Raman scattering fiber-optie sensor [7.24] Carabba, M.M.; Spencer, K.M.; Edmonds, R.B.; Rauh, R.D.; 1992, in: Environmental and Process Monitoring Technologies, SPIE Vol. 1637, pp. 82-90, Spectrochemical technologies and instrumentation for environmental and process monitoring [7.25] Selph, W.; Tran, K.C.; Hurwitz, M.; Alarie, J.P.; Sutherland,

110

Rijksinstituut voor Kust tn Zee

W.S.; Stokes, D.L.; Pal, T.; Vo-Dinh, T.; 1992, in: Environmental and Process Monitoring Technologies, SPIE Vol. 1637, pp. 180-188, Portable surface enhanced Raman toxic chemical analyzer development [7.26] Dao, N.Q.; Jouan, M.; Huy, N.Q.; Da Silva, E.; 1993, Analusis21 (4), pp. 219-220, In-sltu Raman measurements using a mono-fiber optrode [7.27] Vo-Dinh, T.; Alarie, J.P.; Sutherland, W.S.; Stokes, D.L.; Miller, G.H.; 1992, SPIE Vol. 1716, pp. 517-524, Chemical Monitors based on surface-enhnaced Raman scattering (SERS) [7.28] Vo-Dinh, T.; Stokes, D.L.; 1993, Appl. Spectrosc. 47 (10), pp. 1728-1732, Surfaceenhanced Raman vapor dosimeter

111


112


8 Reflectie- en evanescente technieken

Hoofdstuk 8 bevat de technieken, waarvan de detectie van opgeloste verbindingen is gebaseerd op veranderingen in de reflectie van een optische bundel of in het evanescente veld. Het gaat om reflectometrie (§8.1), absorptieve evanescente technieken (§8.2) en refractieve evanescente technieken (§8.3). 8.1 Reflectometrie principe

Als een lichtbundel in een medium overgaat in een medium met een andere brekingsindex, treedt aan het grensvlak reflectie en refractie op (zie §3.1 en Figuur 3.4). Als het grensvlak glad of spiegelend is, zal de reflectie spiegelend van karakter zijn, terwijl aan ruwe en korrelige oppervlakken reflectie diffuus is (zie Figuur 3.5). Bij diffuse reflectie penetreert het licht in de grenslaag, waar het verstrooid en gedeeltelijk ook geabsorbeerd wordt. De spiegelende reflectie, die bij diffuse reflectie ook optreedt,.kan geminimaliseerd worden [8.1]. Het licht dat bij diffuse reflectie door verstrooiing terugkomt aan het grensvlak, kan als reflectiesignaal gedetecteerd worden. Het reflectiesignaal is, in analogie met absorptiespectroscopie, gerelateerd aan de concentratie van de verbinding die adsorbeert. Dat maakt reflectometrie geschikt voor analytische toepassingen. analytische toepassingen Bij deze studie zijn in de literatuur vooral sensortoepassingen van reflectometrie gevonden, die in het volgend deel van deze paragraaf zijn geïnventariseerd. sensortoepassingen Het is mogelijk om met reflectometrie opgeloste verbindingen te detecteren door conventionele indicatoren te immobiliseren op een substraat met een oppervlak dat geschikt is voor diffuse reflectie. In Tabel 8.1 staan een aantal voorbeelden. Met reflectiesensoren, waarbij als substraat XAD-polymeren zijn gebruikt, is met verschillende indicatoren 10 nM Pb2+ [8.2], 60 uM S2" [8.3] en 150 uM Fl" [8.4] gedetecteerd. Met een porfyrinederivaat kan 3 uM Cd2t gedetecteerd worden, waarbij gebruik wordt gemaakt van een tweestaps kleuringsreactie in een flow-injectiesysteem [8.4], Ook Pb2+ en Hg2+ binden met de porfyrineverbinding, maar kunnen spectraal onderscheiden worden [8.5]. Alle genoemde indicatorreacties hebben een optimale pH, terwijl in een aantal gevallen afspoelen met een geschikte oplossing regeneratie van de indicator mogelijk is [8.2, 8.4]. Dat bemoeilijkt de toepassing in sensoren, maar met FIA kan aan deze voorwaarden voldaan worden. In andere toepassingen van reflectometrie is de indicator geïmmobiliseerd in een poreuze polymeerfilm die tussen het uiteinde van een fiber en een reflector is ingeklemd. De polymeerfilm fungeert als grenslaag tussen de fiber en de diffuse reflector. Het reflectiespectrum verandert als de indicator in de polymeerfilm reageert waardoor het absorptiespectrum van de indicator verandert. Met calcichrome als indicator is voor Ca2+ een detectielimiet van 3 mM mogelijk [8.6],

113


Interferometrische detectie van optische reflectie is mogelijk door aan een reflector een polymeerlaagte bevestigen die zwelt bij de adsorptie van verbindingen [8.7, 8.8]. Door het zwellen van de polymeerlaag verandert de positie van de spiegelende reflector waardoor de lengte van de lichtweg verandert. Dat leidt tot spectrale interferentie van de invallende en gereflecteerde lichtbundel, wat interferometrische detectie mogelijk maakt, Gassen als ammoniak [8.9], trichloorethyleen [8.9] en verdampte organofosfaten [8.10] zijn op ppmv-niveau gedetecteerd. Potentiële detectielimieten en de selectiviteit van de polymeren zijn bij deze studies echter niet gegeven [8.9, 8.10], In het algemeen kan gesteld worden dat de selectiviteit van polymeerlagen niet groot is. Organische verbindingen gaan gemakkelijk uit de oplossing in de poiymeerlaag als deze ook een apolair karakter heeft. Met dit type van interferometrische detectie is ook detectie van ionen mogelijk met polymere ionenwisselaars [8.8, 8.11]. Hoewel de meeste commerciële ionenwisselaars zo zijn ontworpen dat ze nauwelijks zwellen, zijn er ook polymeren die flink zwellen als complexen gevormd worden of deprotonering van H*-lndicatoren optreedt [8.8], Naast de detectie van individuele ionen is het ook mogelijk om de saliniteit van een oplossing te bepalen [8.1]. Een totaal andere toepassing is het optisch bepalen van de groeisnelheid van bacteriën die met genetische technieken gevoelig zijn gemaakt voor een pesticide [8.12], De groeisnelheid kan bepaald worden door veranderingen in het verstrooiingsprofiel van de lichtbundel te bepalen die door de oplossing met de opgeloste bacteriën gaat. De gevoeligheid voor een specifiek pesticide is met genetische modificatie verkregen, waarbij de modificatie leidt tot een deficiëntie in het DNAreparatiesysteem. Detectiefimieten voor chloorsulfon en pentachloorfenol zijn submicromolair. Voor eventuele toepassing als insitu meetinstrument moet opgemerkt worden dat de introductie van gemodificeerde organismen in het milieu zeer streng gereguleerd is. Tabel 8.1

stof

detectielimiet (uM)
Detectielimieten voor verschillende stoffen bepaald met Pb ! ' reflectometrie in flow-throughsensoren. Ca!*

0,01 3x10*

Fl-

63

2x103

3 1x10'4 0,1

340

selectiviteit

0,1-10 5

1,2x10 3x10 !

pentachloorfenol

[8.2]

2

160

Cd'* chloorsulfon

bereik (uM)

3

3x1O -3x1O< 160-950 63-630

indicatorreactie indicatorreactie indicatorreactie indicatorreactie

3-500

Indicatorreactie

1x10"-0,05

gemodificeerde

0,1-10

bacteriën

referentie

[8.2] 18.6) [8,4] [8.3] [8.5] [8.12] [8.12]

[8.6]

Bepalingen met de geïmmobiliseerde dithizon-indicator zijn bij pH=8 uitgevoerd. Regeneratie is mogelijk door eerst te spoelen met 0.01 M HCIO4 gevolgd door spoelen met een oplossing met citraat-hydroxylamine. De reversibele indicator calcichrome zit in een poreuze poiymeerfilm die als

[8.4]

ionen wissel aar fungeert. Mg3* en Ba!* interfereren in de bepaling. Als Indicator is een geïmmobiliseerd Ce3*-comp!ex bij pH=4 gebruikt. Interferentie van O0A\ PO4!- en A l " boven 10 mM, Regeneratie !s mogelijk met

[8 3] [8.5]

Als (irreversibele) indicator is een ziVercomplex gefrnmobiliseerd. Als indicator is 5,10,15,20-tetra{p-sulfonatofenyl)-porfyrine geïmmobiliseerd.

onderzoeksgroepen (in Europa)

reflectometrische sensoren - Dept. of Instrumentation and Analytical Science, UMIST, Manchester, UK, (R. Narayanaswamy)

114


8.2 Absorptieve evanescente technieken

principe Bij totale interne reflectie (TIR) penetreert een klein deel van de EM energie als evanescent veld in het medium met de grotere brekingsindex (zie Figuur 3.4B/C). De energie van het evanescente veld kan geabsorbeerd worden en soms fluorescentie induceren wat de basis vormt voor absorptieve evanescente technieken ats IRS (Interne Reflectiespectroscopie) en TIRF (Totale Interne Reflectie Fluorescentie). Beide technieken vormen de basis voor een groep optochemische sensoren. IRS Bij analytische toepassingen van IRS (en ook van TIRF) wordt meestal gebruikt gemaakt van meerdere interne reflecties in een zogenaamd intern reflectie-element (IRE). Bij iedere interne reflectie ontstaat een evanescent veld, waarvan de energie geabsorbeerd kan worden door een vloeibaar of vast monster dat zich aan de buitenkant van het interne reflectie-element bevindt [8.13]. Door de transmissie te meten kan de evanescente absorptie bepaald worden. De penetratiediepte en de grootte van het evanescente veld is afhankelijk van de ratio van beide brekingsindices. Als het verschil tussen beide brekingsindices kleiner wordt, neemt de penetratiediepte toe. Ook de golflengte van het excitatielicht is van invloed. Zo neemt de pentratiediepte toe als de golflengte toeneemt'[8.13, 8.14]. De evanescente absorptie is recht evenredig met de concentratie van de verbinding in het gebied waarin het evanescente veld doordringt, zodat kwantitatieve analyse mogelijk is [8.15],

TIRF Als absorptie van het evanescente veld resulteert in fluorescentie, is het mogelijk om het signaal te relateren aan de concentratie van de fluorescerende verbinding in het gebied waarin het evanescente veld doordringt, TIRF is in essentie gevoeliger dan IRS, net zoals fluorescentiespectroscopie in essentie gevoeliger is dan abso rptiespectrosco pie. analytische toepassingen IRS

Het grote voordeel van IRS is dat infrarood licht gebruikt kan worden voor de analyse van ondoorzichtige vaste monsters, maar ook om de samenstelling van oplossingen met meerdere niet transparante organische vloeistoffen te bepalen [8.13]. Detectielimieten voor opgeloste organische verbindingen in water liggen op millimolair niveau. TIRF

Van TIRF zijn tijdens deze studie geen analytische toepassingen in de literatuur gevonden. Sensortoepassingen op basis van TIRF staan in het volgende deel van deze paragraaf.

sensorontwikkelingen Het is mogelijk om dunne film lichtgeleiders ('thin films') of optische fibers, waarvan de cladding is verwijderd, als IRE toe te passen in sensoren op basis van IRS en TIRF [8.16, 8.17]. Als de diameter afneemt, wordt het aantal reflecties per lengte-eenheid groter, waardoor de afstand waarover het evanescente veld interactie heeft met het monster verlengd wordt en het evanescente absorptiesignaal toeneemt, Als de diameter van de lichtgeleider de golflengte van het licht benadert,

115


voldoet de beschrijving met reflecties niet meer. Het licht propageert dan via zogenaamde geleide modes, die discreet zijn (zie Hoofdstuk 3). Het verschil in brekingsindex tussen beide media bepaalt ook in de diskrete mode-benadering welk deel van de lichtenergie via het evanescente veld getransporteerd wordt [8.17]. Het verschil in brekingsindex kan overigens per geleide mode variëren. IRS Door optische fibers zonder cladding als !RE toe te passen is het mogelijk om opgeloste verbindingen zoals aceton, propanol en zwaveligzuur in millimolaire concentraties [8.15] en penicilline in submillimolaire concentraties te detecteren. Ook de samenstelling van organische oplossingen kan bepaald worden [8.18]. Met singlemode fibers blijken de resultaten beter reproduceerbaar dan met multimode fibers [8.16, 8.15], Met dunne films als IRE zijn kleurstoffen op micromolair niveau gedetecteerd [8.19]. Het koppelen van licht in een dunne füm kan met prisma's die op het substraat zijn bevestigd [8.20], maar ook met tralies die zijn aangebracht op het grensvlak van substraat en dunne film [8.19], Bij het gebruik van fibers zonder cladding moet rekening gehouden worden met de kwetsbaarheid van de fiberkern, die gevoelig is voor contaminatie en degradatie, en met de brekingsindex van het monster. De brekingsindex van het monster is namelijk van invloed op de grootte en de indringdtepte van het evanescente veld. Dat betekent dat kwalitatieve bepalingen alleen mogelijk zijn als de brekingsindex constant blijft of als gecorrigeerd wordt voor veranderingen in de brekingsindex. Veranderingen in saliniteit, pH en het gehalte organische verbindingen kunnen de evanescente absorptiebepaling beïnvloeden [8.19]. Ook door de verandering in de brekingsindex te bepalen is in principe detectie mogelijk, wat in de volgende paragraaf (§8.3) aan bod komt. De problemen die zich voordoen wanneer fibers zonder cladding als reflectie-element toegepast worden, kunnen voor een deel voorkomen worden door de fiber te voorzien van een polymeerlaag die de kern beschermt (en als cladding fungeert). Door het apolaire karakter van de polymeertaag kan de cladding als extractiemedium fungeren voor organische verbindingen, waardoor de selectiviteit en de gevoeligheid toenemen [8.16]. Om de invloed van veranderingen in de brekingsindex van de cladding te minimaliseren is het gunstig om een polymeer toe te passer) waarvan de brekingsindex zo dicht mogelijk ligt bij de brekingsindex van de te detecteren verbinding. In feite is dus de selectiviteit van de polymeerlaag nog steeds gebrekkig te noemen, hoewel metingen in het nabije infrarood (NIR) en het midden-infrarood (MIR) bij meerdere golflengtes en multilineaire regressie detectie van meerdere componenten mogelijk maakt. Dergelijke polymeerlagen kunnen ook aangebracht worden op dunne films of conventionele IRE's. Met deze polymeeriagen is detectie op ppm-niveau mogelijk voor tetrachloorethyleen en dichloorbenzeen [8.21], chloorbenzeen [8.21 A, 8.21], tolueen [8.18] en trichloormethaan [8.21, 8.22], Dit zijn voor deze verbindingen micromolaire detectielimieten. Omdat de selectiviteit van polymeerlagen matig is, zal voor in-situ toepassingen de selectiviteit verbeterd moeten worden. Dit kan bijvoorbeeld voor vluchtige gechloreerde koolwaterstoffen door deze IRS-toepassing te combineren met een gaspermeabel membraan. Bij deze bepalingen is gebruik gemaakt van vibrationele informatie door een fiber als een gecoat IRE te koppelen aan commerciële IRspectrometers met een frequentie-afstembare lichtbron. Voor vibrationele informatie uit het NIR-spectrum zijn silicafibers met een cladding van siloxaanverbindingen gebruikt [8.18, 8.22, 8.23] en voor

116


het MIR-spectrum zijn zilverhalide fibers met een polyethyleencladding toegepast [8.21 A, 8.21, 8.24]. In alle studies is de fiber in een spiraalvorm gewikkeld om de interactielengte tussen het IR£ en oplossing te vergroten. Door gebruik te maken van de spectrale informatie uit het IR-spectrumr eventueel gecombineerd met regressie-analyse, is het mogelijk om de verschillende componenten te specificeren. Dit is aangetoond in oplossingen met trichloorethyleen, tetrachloorethyleen, monochloorbenzeen, 1,2-dichloorbenzeen en 1,2,4-trichloorbenzeen, waarbij de concentratie van alle componenten 50 ppm is gemaakt [8.21]. Door de H+-indicator Congo Red te immobiliseren in een celluloseacetaatfüm die gecoat is op een SRE van zinkselenide, is het mogelijk om met IR evanescente absorptiemetingen de pH van 0,5 tot 4 te bepalen [8.24]. Volgens de auteurs biedt deze detectietechniek perspectieven om metaalionen met een evanescente absorptiesensor on-line te detecteren in een ionenwisselaar die ook uit polymeren bestaat. Hoewel in de literatuur hierover geen gegevens zijn gevonden, is deze benadering in principe ook mogelijk als het vibratiespectrum van een ionofoor verandert onder invloed van de complexering met een ion. Veranderingen in het vibratiespectrum van een geïmmobiliseerde ionofoor zijn in principe ook met SERS detecteerbaar als de ionoforen Raman-actief zijn, Hierover zijn echter geen gegevens in de literatuur gevonden. Het moet mogelijk zijn om evahescente.absofptiespectrometrie toe te passen om de veranderingen in het zichtbare spectrum van een H+indicator te detecteren, die in een bulkoptode indirect gekoppeld is aan een ionofoor (zie §5.1). Uit [8.24] blijkt dat veranderingen in het zichtbare absorptiespectrum van de indicator Congo Red gepaard gaan met veranderingen in het NIR vibratiespectrum, zodat ook detectie in het NIR met een evanescente absorptiesensor mogelijk moet zijn. Tabel 8.2

detectielimiet

stof

Detectielimieten voor verschillende opgeloste verbindingen bepaald met evanescente absorptie- en fluorescentiesensoren (IRS=lnteme ReflectieSpectroscopie, TIRF=; Totale Interne Reflectie Fluorescentie).

(uM) broomthymolblauw

87

tetrachloorethyleen monochloorbenzeen 1,2-dichloorbenzeen trichloormethaan

6 89 34

trichloormethaan chloorbenieen imazethapyr terbutryn

[8.21]

4-100

IRS

[8.19]

1x10' 1x10 ! 1x10'

87-870 6-600 89-890

IRS IRS

[8.21] 18.21]

IRS IRS IRS

[8.21] [8.21] [8.21]

IRS IRS TIRF

[8.22] [8.21A]

5x103 1x10'

84 670 Sx105 44 5000 0,001 0,1 1x10*

valinomycine t8.19]

bereik (\>W

4

trichloorethyleen

techniek

(ppb)

34-680 84-840 670-5,7x10' 44-8S0 0,001-1000 0,1-10 1x10H-0,01

TIRF TIRF

referentie

[8.26] [8.27] [8.25]

Bepaling met een dunne film van Ta2O s in een flow-ceil bij een pHvan 8. Bepaling in het MIR met een fiber met een kern van zilverhalide en een cladding

van polyethyleen. Bepaling in het NIR met een fiber met silicakern en een polymeerlaag van siloxaan als cladding. [8.21 A] Bepaling in het M!R met een fiber met een kern van zilverhalide en een cladding van polyethyleen. [8.26] TIRF-bepaling op basis van een competitief fluoro-immunoasay waarbij de antilichamen op de fiber zijn geïmmobiliseerd. [8.27] TIRF-bepaling waarbij de antilichamen op de fiber zijn geïmmobiliseerd. [8.25] Valinomycine penetreert in de cladding waardoor fluorescentiedoving optreedt. [8.22]

117


TIRF Het aantal in de literatuur gevonden sensortoepassingen van TIRF is veel kleiner dan het aantal gevonden sensortoepassingen op basis van evanescente absorptiespectrometrie, hoewel de TIRF in essentie gevoeliger is en toepasbaar is als detectietechniek in fluoroimmunoassays met subnanomolaire detectieümieten. Bij evanescente fluorescentiesensoren kan het IRE, behalve voor excitatie, ook gebruikt worden voor het opvangen van het emissielicht van excitatielicht dat vervolgens met een fiber naar een detector gebracht kan worden. Ook als fluorescentie optreedt in een polymeerlaag, bijvoorbeeld in een membraan of in de cladding van een fiber, kunnen verbindingen die penetreren en de fluorescentie versterken of verzwakken, gedetecteerd worden [8.25]. In deze studie was de versterking van de fluorescentie door 25 ppbv chloroform in de gasfase detecteerbaar evenals verzwakking van de fluorescentie detectie door 10'10 M van de opgefoste ioncarrier valinomycine of door 100 ppmv N,Ndimethylaniline in de gasfase [8.25]. Detectie van verschillende pesticiden is mogelijk met een TIRFimmunosensorop basis van een competitief assay waarbij de antilichamen op de fiberkern zijn géimmobtliseerd. Detectie is mogelijk van 1 nM van het herbicide imazethapyr [8.26], 0,01 ppb van het triazine-herbicide terbutryn [8.27] en 60 pM van het klinische hapten digoxin [8.28]. Ook verschillende klinische antigenen kunnen met fiberoptische en kanaallichtgeleiderTIRF-sensoren in sub-nanomolaire concentraties gedetecteerd worden [8.28, 8.29]. Met fase-opgeloste TIRF-bepalingen is het mogelijk om de affiniteit van een antilichaam te bepalen [8.30]. Uit deze studie is gebleken dat immobilisatie van antilichamen njet de affiniteit van een individueel antilichaam vermindert, maar dat de immobilisatie bepalend is of een antilichaam wel of niet werkzaam is. De vermindering in respons van een immunosensor op langere termijn wordt daarom niet veroorzaakt doordat de affiniteit vermindert, maar doordat het aantal werkzame antilichamen vermindert [8.30], onderzoeksgroepen evanescente absorptiesensoren - Institut für Radiochemie, Kenforschungszentrum Karisruhe GmbH, Karlsruhe, Deutschland, (J. Bürck, H.J. Ache). - Institute for Analytical Chemistry, Technical University Vienna, Vienna, Austria, (K. Taga, R. Keilner). 8.3 Refractieve evanescente technieken Niet alleen veranderingen in de absorptie van het evanescente veld zijn detecteerbaar doordat de propagatie van de lichtbundel beïnvloedt wordt (zie §8.2). Ook de brekingsindex van het medium waarin het evanescente veld penetreert, beïnvloedt de voortplanting van de lichtbundel. De veranderingen in de brekingsindex worden afhankelijk van de concentratie, als de chemische samenstelling van het medium verandert door moleculaire adsorptie of penetratie/diffusieprocessen. Dit gegeven vormt de basis voor refractieve evanescente detectietechnieken en sensoren.

118


principe

Als de brekingsindex verandert in het medium waarin het evanescente veld penetreert, beïnvloedt dit ook de voortplanting van het deel van de lichtbundel dat geen deel uitmaakt van het evanescente veld. Dit geldt ook als het licht propageert via diskrete geleide modes. Met verschillende refractieve technieken kunnen daardoor veranderingen in de brekingsindex gedetecteerd worden. In deze paragraaf wordt aandacht besteed aan interferometrie, detectie gebaseerd op oppervlaktepiasmonresonantie en aan detectie met inkoppelings- en uitkoppelingstralies voor lichtgeleiders, de zogenaamde grating coupler sensors (GCS). Deze optische technieken worden momenteel toegepast in de ontwikkeling van geïntegreerd optochemische sensoren [8.31, 8.32].

Figuur 8.1 Verschillende evanescente refractieve detectietechnieken die In het onderzoek aan geïntegreerde optochemische sensoren toegepast worden: (A) interferometrische detectie, (B) detectie van de hoek waarbij SPR of oppervlaktepiasmonresonantie optreedt, (C) detectie door de maximale in\uitkoppelingshoek van een tralie te bepalen met een Grating Coupler Sensor (GCS).

euvette

F|C,

••

P1

layers

(C) (B)

interferometrie

Veranderingen in de brekingsindex van het medium waarin het evanescente veld propageert, lelden tot veranderingen in de snelheid waarmee de lichtbundel zich voortplant. Als de lichtbundel coherent is, dan zal een faseverschil ontstaan ten opzichte van een coherente referentiebundel
119


beïnvloeden, zoals de golflengte en de polarisatie van de invallende lichtbundel, constant gehouden worden [8.33]. tralie-in/uitkoppelingstechnieken Met een optisch tralie is het mogelijk om een lichtbundel in of uit een pianaire lichtgeleider te koppelen [8.32]. De maximale in\uitkoppelingshoek is afhankelijk van de brekingsindex van het medium waarin het evanescente veld penetreert. Omdat de verandering van de maximale in\uitkoppelingshoek zeer nauwkeurig gemeten kan worden, is het mogelijk om de verandering in de brekingsindex te bepalen. Daardoor is het mogelijk om concentratieveranderingen of de adsorptie van moleculen on-line te detecteren in de (grens)laag waarin het evanescente veld doordringt. analytische toepassingen

De in de literatuur gevonden analytische toepassingen van refractieve evanescente technieken gaan met name over de ontwikkeling van geïntegreerde optochernische sensoren. Deze toepassingen komen in het volgende deel van deze paragraaf aan bod. sensorontwikkelingen Hoewel met refractieve evanescente technieken het mogelijk is om zeer kleine hoeveelheden geadsorbeerde verbindingen te detecteren, zijn ze niet selectief. Daarom is bij sensortoepassingen van deze technieken een chemische selector nodig, die voor de noodzakelijke selectiviteit zorgt [8.34], In de meeste toepassingen worden daarvoor geïmmobiliseerde antilichamen gebruikt. Detectie van macromoleculen met refractieve technieken heeft bovendien als specifiek voordeel dat labels, zoals die toegepast worden in fluoro-immunoassays of ELISA's, in principe niet nodig zijn. Maar bij het onderzoek naar fiber-optische fluoroimmunoassays {zie §6.1) of geautomatiseerde ELISA's (zie §5.1) wordt ook aan de detectie van kleine moleculen als pesticiden gewerkt, terwijl de toepassing van refractieve immunosensoren zich voornamelijk heeft beperkt tot de detectie van klinisch interessante eiwitten. Hoewel hiervoor in de literatuur nauwelijks een verklaring wordt gegeven, speelt mee dat antigene macromoleculen zoals eiwitten veel groter zijn. Daardoor is na adsorptie de laag waarin de brekingsindex verandert, dikker, waardoor met een dieper doordringend evanescent veld lagere detectielimieten mogelijk zijn. Bovendien kan de dikte van de geadsorbeerde laag vergroot worden door een tweede antifichaam te laten binden met een andere antigene bindingsplaats op hetzelfde eiwit. Daardoor lijken vergelijkbare detectielimieten voor pesticiden en andere kleine moleculen alleen haalbaar, als labels met macromoleculen in een competitief immunoassay toegepast worden [8.35], De brekingsindex wordt gemoduleerd als de pesticidemoleculen de gelabelde moleculen verdringen in een competitief assay. Toch wordt momenteel de haalbaarheid onderzocht om refractieve evanescente technieken te gebruiken voor de detectie van pesticiden zonder labels te gebruiken [8.36], interferometrie Met een geïntegreerde interferometrische sensor, waarbij de lichtgeleider in de meetarm van de interferometer een polymere ionenwisselaar is, kunnen veranderingen in de hoeveelheid Cs* gedetecteerd worden [8.37]. Een detectielimiet wordt echter niet gegeven. Met interferometrische immunosensoren, waarmee zowel in fiberoptische als geïntegreerd-optische uitvoeringen geëxperimenteerd wordt, zijn voor verschillende eiwitten die als antigeen fungeren,

120


detectieümieten tussen 10" en 1O12 M haalbaar [8.38, 8.39, 8.40, 8.32, 8.41]. Ook spectrale interferometrie is toegepast voor de immunochemische detectie van eiwitten, waarbij het mogelijk is om de bindingsreactie on-line te volgen [8.35] in een flow-injectiesysteem [8,42]. Detectielimieten liggen met spectrale interferometrie echter hoger. SfR-sensoren Ook door de resonantiehoek te bepalen waarbij een oppervlakteplasmon ontstaat, is het mogelijk om subnanomolaire eiwitconcentraties te detecteren met geïmmobiliseerde antiiichamen als chemische selector 18.33, 8.43, 8.44, 8.45, 8.46]. Ook de detectie van pesticiden met een SPR-immunosensor is mogelijk [8.36], De eerste commerciële SPR-immunosensor is al verkrijgbaar. Aan de detectie van gassen met SPR is ook gewerkt, maar de detectielimieten liggen op ppmv-niveau [8.47]. Voor veel toepassingen is dit te hoog. Terwijl in de meeste laboratoriumstudies gewerkt wordt met een laag geïmmobiliseerde antiiichamen op het prisma (zie Figuur 8.1 B), waarbij de hoek van de invallende lichtbundel gevarieerd wordt door het prisma of de lichtbundel (met behulp van een spiegel) te roteren, is het ook mogelijk om het oppervlakteplasmon te induceren in een geïntegreerde versie, zoals in een multi-(lichtgeleider)lagen structuur op een geschikt substraat [8.31]. In de geïntegreerde structuur is het mogelijk om de hoeveelheid energie in het geïnduceerde oppervlakteplasmon aanzienlijk te vergroten. Daardoor neemt de gevoeligheid toe [8.31]. tralie-koppeüngssensoren Met de verschillende tralie-in\uitkoppelingssensoren zijn subnanomolaire detectielimieten haalbaar voor verschillende eiwitten als geïmmobiliseerde antiiichamen als selector gebruikt worden [8.32, 8.34, 8.48]. Veranderingen in de geadsorbeerde hoeveelheid eiwitten kunnen, net als met de andere refractieve evanescente technieken in deze paragraaf, on-line gevolgd worden [8.49, 8.50]. onderzoeksgroepen SPR- i'm munosenso ren - Pharmacia Biosensor AB, Uppsala, Sweden, (U. JÖnsson), - Dept. of Microbiotogy, TNO-Nutrition and Food Research, Zeist (R.B.M. Schasfoort, A.H. Severs). - Dip. di Sanita Publtca, Epidemologia e Chimica Analytica Ambientale, Universita degli Studi di Firenze (M. Minunni, M. Mascini). Refractieve evanescente immunosensoren - Vakgroep Technische Optica, Universiteit Twente, Enschede, Nederland (R. Kooyman, J. Creve). - Opties Laboratory, Swiss Federal Institute of Technology (ETH), Zurich, Switzerland (W. Lukosz, K. Tiefenthaler). - Institute for Physical and Theoretical Chemistry, Univ. of Tübingen, Tübingen, Germany, (G. Gaugtitz),

121


122


8.4 Referenties

Referenties uit §8,1 [8.1]

Narayanaswamy, R.; 1993, Analyst 118 (4), pp, 317-322, Optica! chemical sensors transduction and signal processing

[8.2]

Oliveira, W A ; Narayanaswamy, R.; 1992, Talanta 39 (11), pp. 1499-1503, Aflow-cell optosensor for lead based on immobilized dithizone

[8.3]

Narayanaswamy, R.; Sevilla, F.; 1986, Analyst 111, pp. 1085-1088, Flow ce!l studies with immobtlised reagents for the development of an optica! fibre suphide sensor

[8.4]

Narayaswamy, R.; Russel, D.A.; Sevilla, F.; 1988, Talanta 35 (2),pp. 83-88, Optical-fibre sensing of fluoride ions in a flow-stream

[8.5]

Czolk, R.; Reichert, J.; Ache, H.J.; 1992, Sens. Act B 7 (1-3), pp. 540-3, An optical sensor for the detection of heavy meta! ions

[8.6]

Chau, L-K.; Porter, M.D.; 1990, Anal. Chem. 62, pp. 1964-1971, Optical sensor for calcium: performance, structure and reactivity of calcichrome immobilized at an anionic polymer film

[8.7]

Butler, M A ; Ricco, A.J.; Buss, R.; 1990, J. Electrochem. Soc, 137 (4), pp. 1325-6, Fiber optie micromirror sensor for volatile organic compounds

[8.8]

Seitz,W.R.; 1993, J. of Mol. Struct. 292, pp. 105-113, New directions in fiber optie chemical sensors - sensors based on poiymer swelling

[8.9]

Gauglitz, G.; Kraus, G.; 1993, Fres. J Anal. Chem. 346 (6-9), pp. 572-576, A reflectometric sensor for ammonia and hydrocarbons

[8.10] Hughes, R.C.; Ricco, A.J.; Butler, M.A.; Pfeifer, K.B.; 1993, Appl. Biochem. Biotechnol. 41 (1-2), pp. 77-85, The detection of organophosphonates by polymer films on a surface acoustic wave device and a micromirror fiberoptic sensor [8.11] McCurtey, M.F.; Sertz, W.R.; 1993, Anal. Chim. Acta 249, pp. 373, [8,12] Felkner.C; 1992, in: Environmental and Process Monitoring Technologies, SPIE Vol. 1637, pp. 255-264, Laser-based microbiological assay for detection an quantification of bioactive compounds

123


referenties uit §8.2 [8.13] Wilks, P.; 1980, Int. Lab. July/August, pp. 45-52, Internal reflection spectroscopy [8.14] Heo, J.; Rodrigues, M.; Saggese, S.J.; S/gel, C.H.; 1991, Appl. Opt. 30 (27), pp. 3944-3951, Remote fiber-optie chemical sensing using evanescent interactions in chalcogenide glass fibers [8,15] Carlyon, E.E.; Lowe, C.R.; Reid, D.; Bennion, I.; 1992, Biosensors Bioelectron, 7, pp. 141-146, A single mode fibre-optic evanescent wave biosensor [8.16] Stewart, C ; Norris, J.; Clark, D.F.; Culshaw, B.; 1991, Int. J. Optoelectronics 6 (3), pp. 227-238, Evanescentwave chemical sensors - a theoret/cal evaluation [8.17] Dessy, R.E.; 1989, Anal. Chem. 61 (19), pp. 1079A-1094A, Waveguides as chemical sensors [8.18] DeGrandpre, Michael D.; Burgess, Lloyd W.; 1990, Appl. Spectrosc. 44 (2), pp 273-9, A fiber-optie FT-NIR evanescent field absorbance sensor [8.19] DeGrandpre, M.D.; Burgess, L.W.; White, P.L.; Goldman, D.S.; 1990, Anal. Chem. 62 (18), pp 2012-17, Thin film ptenar waveguide sensor for liquid phase absorbance measurements [8.20] Kang, S.W.; Sasaki, K.; Minamitani, H.; 1993, Appl. Opt. 32 (19), pp. 3544-3549, Sensitivity analysis of a thin-film optical waveguide biochemical sensor using evanescent field absorption [8.21] Krska, R.; Taga, K.; Keliner, R.; 1993, Appl. Spectrosc. 47 (9), pp. 1484-1487, New IR fiberoptie chemical sensor for in situ measurements of chlorinated hydrocarbons in water [8.21 A] Krska, R.; Taga, K.; Keliner, R.; Messica, A.; Katzir, A.; 1992, Fresenius J. Anal. Chem. 342, p. 202, A new fiber optie physico-chemical sensor for chlorinated hydrocarbons in water [8.22] Burck, J.; Conzen, J.P.; Ache, H.J.; 1992, Fresenius J. Anal. Chem. 342, pp. 394-400, A fiber optie evanescent field absorption sensor for monitoring organic contaminants in water [8.23] Conzen, J-P.; Burck,}.; Ache, H.J.; 1993, Appl. Spectrosc. 47 (6), pp. 753-763, Characterization of a fiber-optie evanescent wave absorbance sensor for nonpolar organic compounds [8.24] Jones, T.P.; Porter, M.D.; 1989, Appl. Spectrosc. 43 (6), pp.908-911, An optical sensor based on infrared spectroscopy [8.25] Krull, U.J.; Brown, R.S.; DeBono, R.F.; Hougham, B.D.;

124


Towards a fluorescent chemoreceptive lipid membrane-based optode [8.26] Wong, R.B.; Anis, N.; Eldefrawi, M.E.; 1993, Anal. Chim. Acta279 (1), pp. 141-147, Reusable fiberoptic-based immunosensor for rapid detection of imazethapyr herbicide [8.27] Bier, F.F.; Stocklein, W.; Bocher, M.; Bilitewski, U.; Schmid, R.D.; 1992, Sens. Act. B 7, pp. 509-512, Use of a fibre optie immunosensor for the detection of pesticides. [8.28] Walczak, I.M.; Love, W.F.; Cook, T.A.; Slovacek, R.E.; 1992, Biosensors Bioelectron. 7, pp. 39-48, The application of evanescent wave sensing to a high-sensitivity fluoroimmunosassay [8.29] Choquette, S.J.;Locascio-Brown, L.; Durst, R.A.; 1992, Anal, Chem. 64 (1), pp. 55-60, Planar waveguide immunosensor with fluorescent liposome amplification [8.30] Brfght, F.V.; 1993, Appl. Spectrosc. 47 (8), pp. 1152-1160, Probing biosensor interfaces by multifrequency phase and modulation Total tnternal Reflection Fluorescence (MPM-TIRF) referenties uit §8.3 [8.31] Lambeck, P.V.; 1992, Sens. Act. B 8, pp. 103-116, Integrated opto-chemical sensors [8.32] Lukosz, W.; Clerc, D.; Nellen, Ph.M.; 1991, Sens. Act. A25-27, pp. 181-184, Input and output grating couplers as integrated optical biosensors [8.33] Jonssen, U.; Fagerstam, L; Ivarsson, B.; Johnsson, B.; Karlsson, B.; Lundh, K.; Lofas, S.; Persson, B.; Roos, H.; Ronnberg, L; Sjolander, S.; Stenberg, E.; Stahlberg, R.; Urbaniczky, C; Ostlin, H.; Malmqvist, M.; 1991, BioTechniques 11 (5), pp. 620-627, Real-time biospecific interaction analysis using surface plasmon resonance and a sensor chip technology [8.34] Huber, W.; Barner, R.; Fatiinger, Ch.; Hubscher, J.; Koller, H.; Muller, F.; Schlatter, D.; Lukosz, W.; 1993, Sens. Act. B 6, pp. 122-126, Direct optical immunosensing (sensitivity and selectivity) [8.35] Brecht, A.; Ingenhoff, J.; Gauglitz, C ; 1992, Sens. Act. B 6, pp. 96-100, Direct monitoring of antigenantibody interactions by spectra! interferometry [8.36] Minunni, M; Maxcini, M; 1993, Anal. Lett. 26 (7), pp. 1441-1460, Detection of pesticide in drinking water using real-time biospecific interaction analysis (BIA)

125


[8.37] Hollenbach, U.; Efstathiou, C; Fabricius, N.; Oeste, H.; Goetz, H.; 1989, Proc. SPIE-Int. Soc. Opt. Eng., Vol. 1014 (Micro-Opties), pp. 77-80, Integrated optica! refractive index sensor by tonexchange in glass [8.38] lngenhoff, J.; Drapp, B.; Gauglitz, G.; 1993, Fres. J Anal. Chem. 346, pp. 580-583, Biosensors using integrated optical devices [8.39] Heideman, R.; Kooyman, R.P.H.; Greve, J.; 1992, Sens. Act. B 10, pp. 209-217, Performance of a highly sensitive optical waveguide mach-zehnder interferometer immunosensor [8.40] Heideman, R.; Kooyman, R.P.H.; Greve, J.; 1993, Biosensors Bioelectronics, Immunoreactivity of adsorbed anti human chorionic gonadotropin (ahCG) studied with an optical waveguide interferometric sensor [8.41] Heideman, R.G.; Blikman, A.; Koster, R.; Kooyman, R.P.H.; Greve, J.; 1991, SPIE Vol. 1510, Chemical and Medical Sensors, Potarimetric optical fiber sensor for biochemical measurements [8.42] Brecht, A.; Gauglitz, G.; Poster, J.; 1993, Biosens. Bioelectron. 8, pp. 387-392, Interferometric immunoassay in a FIA-system: a sensitive and rapid approach in label-free immunosensing [8.43] Kooyman, R.P.H.; Kolkman, H.; Van Gent, J.; Greve, J.; 1988, Anal. Chim. Acta, pp. Surface plasmon resonance immunosensors: sensitivity considerations [8.44] Kooyman, R.P.H.; Lenferink, A.T.M.; Eenink, R.G.; Greve, J.; 1991, Anal. Chem. 63 (1), pp. 83-85, Vibrating mirror surface plasmon resonance immunosensor [8.45] Buckle, P.E.; Davies, R.J.; Kinning, T.; Yeung, D.; Edwards, P.R.; Pollard-Knight, D,; Lowe, C.R.; 1993, Biosens. Bioelectron, 8, pp. 355-363, The resonant mirror: a novel optical sensor for direct sensing of biomolecular interactions - Part II: applications [8.46] Severs, A.H.; Schasfoort, R.B.M.; 1993, Biosens. Bioelectron. 8, pp. 365-370, Enhanced surface plasmon resonance inhibition test (ESPRIT) using latex particles [8.47] Van Gent, J.; Lambeck, P.V.; Bakker, R.J.; Popma, Th.J.A.; Sudholter, E.J.R.; Reinhoudt, D.N.; 1991, Sens. Act. A 25-27, pp. 449-452, Design and realization of a surface pfasmon resonance-based chemo-optical sensor [8.48] Nellen, Ph.M.; Lukosz, W.; 1990, Sens. Act. B 1, pp. 592-596, Integrated optical input grating couplers as chemo- and immunosensors

126


[8.49] Spohn, P.K.; Prenosil, J.E.; Tiefenthaler, K.; 1990, Anal. Lett. 23 (3), pp. 411-424, A novel instumental setup for in-situ detectton of protein adsorption with grating coupler sensors (CCS) [8.50] Nellen, Ph.M.; Lukosz, W.; 1993, Biosens, Bioeiectron. 8, pp. 129-147, Integrated optical input grating couplers as direct affinity sensors

127


128


9 Optochemische sensorprincipes voor RWStoepassingen

Hoofdstuk 9 vormt met Hoofdstuk 10 het laatste deel van dit rapport, waarin veelbelovende optische detectieprincipes en veelbelovende chemische selectoren op een rijtje gezet worden. Daarnaast worden suggesties gedaan voor nieuwe combinaties van optische technieken en chemische selectoren die kunnen leiden tot nieuwe ontwikkelingen en toepassingen voor de in-situ detectie van verontreinigingen. In §9.1 worden veelbelovende sensorontwikkelingen uit verschillende hoofdstukken met elkaar in verband gebracht. Het gaat om ionoforen en antilichamen die in combinatie met diverse optische techieken veelbelovende en vernieuwende optochemische detectieprincipes opleveren. In §9.2 worden de gegevens en mogelijkheden van de overige chemische selectoren op een rijtje gezet en samengevat in Tabel 9.1. §9.3 gaat over twee veelbelovende vibrationele technieken die niet duidelijk met een chemische selector verbonden kunnen worden. In §9,4 worden alle optische detectietechnieken uit deze studie in .combinatie met een chemische selector vergeleken en beoordeeld op hun in-situ toepasbaarheid voor RWS. Het oordeel over de diverse optochemische detectieprincipes wordt weergegeven in Tabel 9.2. 9.1 Veelbelovende chemische selectoren voor optische technieken Deze paragraaf gaat over veelbelovende chemische selectoren die in combinatie met optische technieken toegepast kunnen worden in optische sensoren. De meest belovende chemische selectoren in deze studie zijn ionoforen (voor de selectieve detectie van cationen en anionen) en antilichamen (voor de selectieve herkenning van pesticiden en hun afbraakprodukten). De mogelijkheid om verwante chemische selectoren toe te passen voor verschillende verontreinigingen heeft als groot voordeel dat een meetinstrument met gestandaardiseerde detectietechniek ontwikkeld kan worden, waarin steeds een andere chemische selector geplaatst kan worden. Daardoor wordt het gemakkelijk om de chemische selector te wisselen of om meerdere selectoren in hetzelfde instrument toe te passen. Dit voordeel geldt duidelijk voor ionoforen en voor antilichamen. ionoforen

lonoforen vormen selectief en reversibel een complex met ionen waarbij detectielimieten tussen 10 = en 10'9 M haalbaar zijn. De toepasbaarheid in water is goed. Na immobilisatie in een PVC-membraan door middel van covalente immobilisatie blijven ionoforen maandenlang werkzaam zonder uit het membraan te ontsnappen, tn het huidige macromoleculaire onderzoek gaat de ontwikkeling van nieuwe en verbeterde ionoforen verder. Dat levert nieuwe ionoforen voor andere ionen op, terwijl de selectiviteit en de affiniteit van bestaande ionoforen verbeterd worden. Omdat de meeste ionen en ionoforen kleurloos zijn in het zichtbare gebied en het nabije UV, is een indicator nodig om optische detectie mogelijk te maken. Dit kan door een chromofoor of een fiuorofoor te koppelen aan een ionofoor. Als de complexvorming leidt tot veranderingen in het absorptie of emissiespectrum in de indicator, is

129


optische detectie mogelijk. Van deze detectiemethode bestaan zowel fiber-optische als flow-through sensoruitvoeringen, waarbij in de meeste gevallen de verandering in de absorptie gedetecteerd wordt, lonoforen kunnen ook indirect gekoppeld worden aan een HMndicator. Daarbij treedt, afhankelijk van de lading van het ion dat een complex vormt met de ionofoor, tegelijkertijd protonering of deprotonering van de HMndicator op. Ook in dit geval kan de verandering in het absorptie- of emissiespectrum gedetecteerd worden. Een nadeel van dit type indicator is dat de detectie afhankelijk is van de pH. Ook penetratie van water, waardoor de activiteit van de verbindingen in het membraan kan veranderen, kan tot meetfouten leiden, waardoor geregeld caiibratie nodig is. Nog niet onderzocht is of de PVC-membranen met ionofoor en indicator ook gecombineerd kunnen worden met detectietechnieken als fotoakoestische spectroscopie (PAS), thermische lens spectroscopie (TLS) of fotopyro-elektrische spectroscopie (PPES). PAS en TLS met lasers zijn onder dezelfde meetomstandigheden namelijk gevoeliger dan conventionele absorptiespectroscopie (AS). PAS en PPES zijn optische technieken die veel toegepast worden in het onderzoek naar dunne films en lijken daarom geschikt om de kleurverandering van een indicator die gekoppeld is aan een ionofoor, te detecteren. Membranen met géimmobiliseerde ionoforen en indicatoren kunnen namelijk als dunne films beschouwd worden. Daarnaast kan PPES in principe toegepast worden in geïntegreerd-optochemische sensoren. Deze ontwikkeling lijkt kansrijk omdat geïntegreerde pyrodetectoren bestaan. Ook detectie met IRS met vibrationele excitatie is nog niet onderzocht, hoewel bekend is dat protonering/deprotonering van een H+-indicator ook gedetecteerd kan worden door de veranderingen in het vibratiespectrum te meten. Als de complexvorming van een ionofoor met een ion detecteerbare veranderingen in het IR- of SERS-spectrum veroorzaakt, kan met SERS en IRS direct de complexvorming van ionoforen gedetecteerd worden. anti lichamen Met immunosensoren en immunoassays, gebaseerd op de affiniteit en selectiviteit van antilichamen voor haptenen, is het mogelijk om pesticiden en andere kleine moleculen tussen 10 6 en 101J M te detecteren. Ook voor de toepassing van antilichamen in optische sensoren geldt dat het mogelijk is om een standaard meetinstrument te ontwikkelen waarin de chemische selector gemakkelijk verwisseld kan worden, terwijl het detectieprincipe niet verandert. Omdat de meeste pesticiden kleurloos zijn en bovendien niet fluoresceren, is het in de meeste gevallen noodzakelijk om antilichamen in een zogenaamd competitief assay toe te passen. In dit type assay concurreert een gelabelde indicator met pesticidemoleculen om de beschikbare bindingsplaatsen op de antilichamen. Het aantal indicatoren dat bindt met een geïmmobiliseerd antilichaam, kan optisch gedetecteerd worden en is gerelateerd aan het aantal pesticidemoleculen. Detectie is mogelijk met fiber-optische immunoassays en met geautomatiseerde flow-injectietoepassingen van bestaande ELISA's, fluoroimmunoassays en chemiluminescente immunoassays. De toepasssing van gelabelde indicatoren maakt deze immunoassays eerder geschikt voor analyzertoepassingen dan voor sensortoepassingen. Naast de ontwikkelingen in fiber-optische en evanescente immunosensoren en de automatisering van conventionele immunoassays zijn veldinstrumenten ontwikkeld op basis van ELISA's ontwikkeld. Met deze veldinstrumenten, die een draagbare spectrometer bevatten is het mogelijk om op locatie monsters snel te analyseren, waardoor transport naar een gekwalificeerd laboratorium

130


niet meer nodig is. Nieuwe ontwikkelingen in de toepassing van antilichamen zijn de detectie metTIRF (Totale Interne Reflectie Fluorescentie) en met refractieve evanescente technieken. Bij TIRF wordt het reflectie-element gebruikt om het excitatielicht via het evanescente veld bij de fluorescerende labels te brengen, terwijl met hetzelfde reflectie-element ook het emissielicht verzameld kan worden om naar een detector te brengen. Bij refractieve evanescente technieken, zoals interferometrie en detectie met SPR (Surface Plasmon Resonance) vindt detectie plaats door de verandering in de brekingsindex te meten in het gebied waarin het evanescente veld doordringt. Veranderingen in de brekingsindex ontstaan als geïmmobiliseerde antilichamen bindingen vormen met eiwit- of pesticidemoleculen. De verandering in de brekingsindex neemt toe met de grootte van de moleculen. Daardoor kunnen macromoleculen, zoals eiwitten, direct met refractieve evanescente technieken in zeer lage picomolaire concentraties gedetecteerd worden. Dergelijke detectielimieten zijn voor kleine moleculen als pesticiden alleen haalbaar als de detectie gecombineerd wordt met een competitief immunoassay. Daarbij kunnen macromoleculen als label gebruikt worden, waardoor een forse verandering in de brekingsindex ontstaat als de labels verdrongen worden door pesticidemoleculen. Toch wordt momenteel gewerkt aan de detectie van pesticiden op nanomolair niveau haalbaar met refractieve evanescente technieken zonder het gebruik van labels. Technieken als TIRF en evanescente refractieve technieken zijn gebaseerd op veranderingen, die plaatsvinden in de laag waarin het evanescente veld doordringt. Daardoor is het mogelijk om de bindingsreactie continu te volgen. Dit is niet mogelijk bij bestaande immunoassays of immunosensoren, waarbij tijdens het uitvoeren van het immunoassay verschillende keren reagentia toegevoegd en weer weggewassen moeten worden. Dit zou opgelost kunnen worden als de pesticidemoleculen via een reversibele proces, zoals diffusie, de geïmmobiliseerde antilichamen kunnen bereiken, terwijl de gelabelde indicatoren niet kunnen ontsnappen. Daardoor zou de concentratie gelabelde indicator constant blijven, terwijl het aantal pesticidemoleculen kan varieren. De responstijd wordt echter wel groter. Een probleem is het weinig reversibele karakter van de bindingen die antilichamen vormen. Hoewel de bindingsreactie een evenwichtsreactie is, ligt het evenwicht sterk aan de kant van de binding, vooral als het antilichaam een grote affiniteit heeft voor de te detecteren verbinding. Daardoor gaat een grote affiniteit en een lage detectielimiet gepaard met een afname in de reversibilitett. In veel gevallen is wel regeneratie mogelijk door de geïmmobiliseerde antilichamen af te spoelen met een geschikte vloeistof. Maar dan is eerder sprake van een analyzer dan van een sensor. Hoewel bij deze studie er niet naar gezocht is in de literatuur, kan het mogelijk zijn om de affiniteit van antilichamen gericht te veranderen met genetische modificatietechnieken en de antilichamen te produceren met gemodificeerde micro-organismen. Dit biedt mogelijkheden om antilichamen op groter schaal te produceren en maakt moleculaire engineering aan de eigenschappen van antilichamen mogeijk.

131


9.2 Overige chemische selectoren

In deze paragraaf worden de eigenschappen van alle geïnventariseerde chemische selectoren vergeleken en weergegeven in Tabel 9.1. Het betreft eigenschappen als selectiviteit, reversibiliteit, de verontreinigingen die gedetecteerd kunnen worden en de optische detectietechnieken waarmee de chemische selecteren gecombineerd kunnen worden. De twee meest belovende chemische selectoren, antilichamen en ionoforen, zijn uitgebreid besproken in §9.1. In deze paragraaf komen een aantal eigenschappen van de andere geïnventariseerde chemische selectoren kort aan bod. Het gaat om: - enzymen - fotoreactiecentra - conventionele indicatoren - chemiluminescente reagentia - bioluminescente reagentia - poiymeerfilms - gaspermeatie - adsorptie aan vaste stoffen

Tabel 9.1 De geïnventariseerde selectieprincipes, zowel chemiche selectoren als isolatie/preconcentratieprincipes, worden vergeleken op grond van hun selectiviteit, reversibiliteit, het type verontreiniging dat gedetecteerd kan worden en de optische techniek waarmee het selectieprincipe tot nu toe gecombineerd is. (AS=absorptiespectroscopie, BL=bioluminescentiebepaling, CL=chemiluminescentiebepaling, FL=fluorescentiespectroscopie, INT=interferometrie, IRS=interne reflectriespectroscopie, REF=reflectometrie, SPR=surfece plasmon resonance, TIRF=totale interne fluorescentiespectrocopie). selector

selectiviteit

reversibiliteit

verontreiniging

antilichaam

zeer goed

matig

pesticiden

enzym

zeer goed

goed/matig redelijk

pesticiden herbiciden

AS BL

zeer goed

ionen tonen

AS,FL AS, FL AS, FL

optische detectietechniek AS, CL, FL, INT, SPRJIRF

fotosysteem

zeer goed

ionofoor conventionele indicator *

zeer goed redelijk

conventionele indicator *

matig

redelijk/matig

matig/slecht

redelijk/

niet

organische verbindingen enkele ionen

bioluminescente reagentia

goed redelijk /goed

niet

enkele ionen

BL

polymeerlaag

matig

goed

organische verbindingen

FL, IRS, REF

gaspermeabel membraan adsorptiemedium

matig

goed

gassen,

AS,FL

chemiluminescente reagentia

CL

VOCs matig

redelijk

organische verbindingen

AS, FL, REF

hier wordt onder enzymen conventionele indicatoren Veel enzymen zijn zeer selectief voor het substraat dat ze omzetten, reagentia verstaan, waarmee hoewel het in de meeste gevallen gaat om selectiviteit voor biologische via klassieke kleine acties uit de verbindingen. De meeste enzymen hebben geen affiniteit hebben voor analytische chemie xenobiotische verbindingen. Daarom worden enzymen meer toegepast verbindingen gedecteerd in sensoren voor klinische en biotechnologische toepassingen. Wel kunnen worden. vertonen een aantal enzymen een grote affiniteit voor pesticiden die

132


ontworpen zijn om de enzymwerking te remmen. Dit geldt bijvoorbeeld voor de choline-esteraseremmers, die gedetecteerd kunnen worden door de afname van de activiteit van het esterase-enzym te bepalen (zie §5.4). Toch zijn enzymen in het algemeen minder geschikt voor de in-situ detectie van verontreinigingen omdat ze hoge eisen stellen aan parameters, zoals pH, temperatuur en de ionsterkte. Als één van de parameters ook maar iets te veel afwijkt van de optimale waarde, vermindert de activiteit van het enzym sterk (zie §5.1, §6.1, §6.2). Daarnaast binden sommige enzymen selectief met ionen die ze nodig hebben om de enzymreactie uit te kunnen voeren. Het enzym fungeert in dit geval als een biologische ionofoor, die als ionofoor andere eisen stelt dan als enzym. Over deze potentiële toepassing van enzymen is nog weinig bekend. Als de toepassing van enzymen als ionoforen minder strenge eisen stelt aan de omgevingsparameters, is het de moeite waard dit verder te onderzoeken. Het gaat dan wel om de detectie van ionen en niet meer om de detectie van organische verbindingen (zie §6.1). fotosystemen

Voor de bestrijding van onkruid zijn herbiciden ontwikkeld die de fotosynthese van planten blokkeren door op essentiële plaatsen te binden met de fotoreactiecentra. Daardoor is het mogelijk om de fotoreactiecentra van planten te gebruiken voor de detectie van dit type herbicide. Detectie is mogelijk door de seiector te combineren met een competitief assay, waarbij de gelabelde indicatoren van de bindingsplaatsen worden verdrongen door de herbicidemoleculen. Over de toepasbaarheid voor in-situ detectie van herbiciden valt nog weinig te zeggen omdat het bekende onderzoek zich concentreert in één laboratorium en bovendien nog in een beginfase lijkt te zijn (zie §6.2). conventionele indicatoren voor ionen en organische verbindingen

Deze conventionele indicatoren zijn afkomstig uit de klassieke kleuringsreacties die al decennialang toegepast worden om opgeloste verbindingen te detecteren. Naast de toepassing van deze reagentia in geautomatiseerde flow-injectie analyzers, kunnen de indicatormoleculen van deze reagentia geïmmobiliseerd worden in bijvoorbeeld (fiber) optische sensoren (zie Hoofdstuk 5 en §6.1). In het algemeen is de selectiviteit van deze indicatoren redelijk maar niet voldoende voor in-situ detectie in het oppervlaktewater. Indicatoren voor metaalionen reageren vaak met meerdere metaalionen. Daarnaast is de indicatorreactie vaak pH-afhankelijk en irreversibel. De selectiviteit van indicatoren voor organische verbindingen is vaak matig omdat de indicator meestal reageert met een specifieke groep. Dat betekent meestal dat de indicator reageert met bijna elke verbinding die deze groep bezit. chemiluminescente reagentia

Hier wordt met opzet niet gesproken over chemiluminescente indicatoren omdat chemiluminescente reacties altijd irreversibel zijn, waardoor immobilisatie niet mogelijk is. Daardoor is het voor elke bepaling noodzakelijk om opnieuw reagentia toe te voegen en kunnen chemiluminescente bepalingen alleen toegepast worden in analyzers. De selectiviteit van de verschillende chemiluminescente reacties is redelijk tot goed te noemen. De haalbare detectielimieten zijn zeer laag (10-9-1012M), maar het gaat om een zeer beperkte groep verbindingen die gedetecteerd kunnen worden (zie §6.2).

133


bioluminescente reagentia

Bioluminescente reacties onderscheiden zich van chemiluminescente reacties doordat de bioluminescente reactie gekatalyseerd wordt door het enzym luciferase. Daardoor gelden alle nadelen van enzymen voor de toepassing van bioluminescente bepalingen in het oppervlaktewater. In bioluminescentieprobes wordt het enzym luciferase vaak gekoppeld aan een ander enzym dat behalve een enzymspecifiek reactieprodukt ook een nevenprodukt oplevert dat luciferase kan gebruiken als bron voor bioluminescentie. Het blijft echter moeilijk om xenobiotische verbindingen met enzymebn te detecteren. Het lijkt wel mogelijk om met genetische technieken bacteriën die hun energie halen uit de afbraak van verontreinigingen als alifatische en aromatische koolwaterstoffen, als bio-indicator te gebruiken voor de detectie van deze verontreinigingen. Dit onderzoek zit nog in een verkennende fase (zie §6.2). polymeerlagen In een polair medium diffunderen apolaire organische moleculen zeer gemakkelijk in een apolaire polymeerlaag. Doordat de polariteit van de verbinding het enige selectiecriterium is, is de selectiviteit matig. Wel is de keuze van de polymeerlaag enigztns van invloed en kan daarmee de selectiviteit iets verbeterd worden. Dit geldt zowel voor de zwellende polymeren die in sensoren op basis van reflectometrie worden toegepast, als voor de polymeerlagen die gecombineerd worden met IRS door ze te coaten op het reflectie-element (zie §8.1 en §8.2), Ook voor sensoren, waarin de binnendringende organische verontreinigingen de hydrofobiciteit van de polymeerlaag beïnvloeden, waardoor de fluorescentie-intensiteit van de geïmmobiliseerde indicator varieert, geldt dat de selectiviteit matig is (zie §6.1). gaspermeatie met een semipermeabel membraan

Met een semipermeabel membraan is gaspermeatie mogelijk, waardoor alleen opgeloste gassen of vluchtige organische verbindingen (VOC's) het membraan kunnen passeren. De selectiviteit van dit principe is matig, maar kan gemakkelijk gecombineerd worden mét een chemische selector. In dat geval kan de toepassing van een semipermeabele membraan een extra vorm van selectiviteit introduceren en bovendien de reagentia/indicator beschermen tegen de invloeden van de matrix (zie §5.1, §6,1). adsorptie aan vaste stoffen

Veel gebruikte adsorptiekolommen bestaan uit gealkyleerde silicagels. Na adsorptie aan de kolom kunnen organische verbindingen gedetecteerd worden, waarbij tijdsgeïntegreerde bepalingen mogelijk zijn. Na een bepaling moet de kolom meestal weer geregenereerd worden, waardoor toepassing in een analyzer meer voor de hand ligt dan toepassing in een sensor (zie §5.1 en §6.1). Hoewel de affiniteit van verschillende silicagels varieert voor verschillende organische verbindingen, adsorberen meestal meerdere verbindingen. De selectiviteit is matig, maar kan verbeterd worden door met optische technieken spectraal onderscheid te maken tussen de verschillende geadsorbeerde verbindingen. Hiervan zijn echter geen toepassingen bekend, waarbij meer dan drie verbindingen tegelijkertijd gedetecteerd worden.

134


9.3 Veelbelovende vibrationele technieken Door de aanzienlijke absorptie van water in het infrarood (IR) is het niet mogelijk om IR lichtbronnen toe te passen voor directe absorptiebepalingen in de waterkolom. Met SERS (Surface Enhanced Raman Spectroscopy) en IRS (Interne Reflectie Spectroscopie) is dit wei mogelijk. Daardoor kan de specifieke vibrationele informatie uit het karakteristieke IR-spectrum van organische verbindingen gebruikt worden voor de detectie van organische verbindingen. Interne Reflectie Spectroscopie Met Interne ReflectieSpectroscopie (IRS), gecombineerd meteen IR lichtbron, kunnen organische verbindingen die in een geschikte polymeerlaag oplossen, op micromolair niveau gedetecteerd worden. Hierbij kan onderscheid gemaakt worden tussen meerdere componenten in de polymeerlaag. Met name mengsels van gechloreerde koolwaterstoffen zijn gedetecteerd en gekwantificeerd (zie §8.2). Bij IRS wordt de evanescente absorptie bepaald in het medium dat grenst aan het reflectie-element. Zowel optische fibers als dunne film planaire lichtgeleiders kunnen als reflectie-element gebruikt worden. De optische fiber heeft hier als voordeel dat het actieve polymeeroppervlak zonder probleem verlengd kan worden. Het volume van de meetkop hoeft hierbij nauwelijks toe te nemen door de fiber in een spiraal te wikkelen. Door een IR-spectrometer te koppelen aan een reflectie-element is het mogelijk om vibrationele informatie uit het IR absorptiespectrum te halen, waar veel organische verbindingen hun moleculaire fingerprint hebben. Daardoor kan onderscheid gemaakt worden tussen meerdere componenten. Om micromolaire detectielimieten te halen is het noodzakelijk om de detectie te combineren met preconcentratie of isolatie. Dit kan door het reflectie-element te coaten met een geschikte polymeerlaag waarin apolaire organische verbindingen kunnen oplossen. Hoewel het huidige onderzoek naar detectie en monitoring van verontreinigingen met IRS nog in een haalbaarheidsfase verkeert, zijn de vooruitzichten veelbelovend. Voor beter gedefinieerde matrices bijvoorbeeld in de procesindustrie lijkt IRS zeer geschikt voor in-situ monitoring. Voor de ontwikkeling van een in-situ IRS-instrument voor detectie in het oppervlaktewater dienen echter nog een aantal problemen opgelost te worden. Aandachtspunten daarbij zijn de verdergaande preconcentratie die nodig is om lagere detectielimieten te halen en het gegeven dat deze polymeercoatings vaak onvoldoende selectief zijn. Door de gebrekkige selectiviteit kunnen in een slecht gedefinieerde matrix veel verbindingen in de polymerlaag gaan. Dit bemoeilijkt herkenning en kwantificering van verbindingen, ondanks dat het IR-spectrum van een organische verbinding als een moleculaire fingerprint fungeert. De affiniteit van een polymeercoating voor een organische verbinding kan overigens per verbinding verschillen, waardoor enige selectiviteit mogelijk is. Gegevens hierover zijn aanwezig in de literatuur, maar zijn niet verwerkt in deze studie. Naast de toepassing van polymeercoatings kan het mogelijk zijn om de selectiviteit verder te verbeteren door selecteren te immobiliseren in de polymeerlaag. Dit kunnen zowel selectoren zijn die selectief en reversibel reageren met organische verbindingen, als verbindingen die verontreinigingen selectief kunnen bergen in hun moleculaire holte. Over dit onderwerp zijn nauwelijks gegevens bekend in de literatuur. Een vervolgstudie zal meer duidelijkheid moeten scheppen over de experimentele haalbaarheid.

135


SERS Met SERS of Surface Enhanced Raman Spectroscopy kunnen organische verbindingen zoals nitroverbindingen, na adsorptie aan een ruw oppervlak van een (half)edelmetaa1, op micromolair niveau gedetecteerd worden (zie §7.1). De versterking van het Ramansignaal van een geadsorbeerde verbinding kan zo'n factor 106 bedragen, waardoor de micromolaire detectielimieten haalbaar zijn. Uit het SERS-spectrum kan vibrationele informatie geabstraheerd worden, waardoor meerdere geadsorbeerde verbindingen gedetecteerd en en gekwantificeerd kunnen worden. Subnanomolaire detectiefimieten zijn mogelijk als resonantieversterking van het Ramansignaal optreedt. Resonantieversterking treedt op als de golflengte van de excitatiebundel in de absorptieband van de geadsorbeerde verbinding valt. Momenteel wordtin verschillende onderzoeksinstituten gewerkt aan de ontwikkeling van een prototype SERS-instrument voor de detectie van organische verontreinigingen. Met deze prototypes worden de eerste veldproeven uitgevoerd. Problemen die nog niet voldoende opgelost zijn, zijn de interferentie door signalen die ontstaan door fluorescentie en Ramanverstrooiing in de waterkolom als de excitatiebundel door de waterkolom gaat en de gebrekkige selectiviteit van het edelmetaal. Bovendien vormt competitie tussen verschillende opgeloste verbindingen een probleem als het aantal beschikbare adsorptieplaatsen op het oppervlak beperkt is. Dan zal de verbinding met de grootste affiniteit het meest zal adsorberen. Maar in hoeverre de adsorptie van verbindingen de affiniteit van andere verbindingen kan beïnvloeden, is niet bekend. Het is mogelijk om de selectiviteit te vergroten. De oppervlakteversterking van het Ramansignaal treedt ook op, als het edelmetaal gecoat is met een polymeerlaag. Daardoor lijkt het mogelijk om selectieve en reversibele selectoren/indicatoren voor organische verbindingen te immobiliseren. Dit kunnen indicatoren zijn die selectief een binding vormen, maar ook verbindingen die selectief een andere verbinding opnemen in hun moleculaire holte. Omdat hierover weinig gegevens bekend zijn in de literatuur, is een experimentele vervolgstudie noodzakelijk, voordat een eindoordeel over de bruikbaarheid voor RWStoepassingen gegeven kan worden. 9.4 Overige optische detectieprincipes

In deze paragraaf worden de eigenschappen van alle geïnventariseerde optische detectieprincipes onderling vergeleken. Optische detectietechniek en chemische selector vormen samen het optochemische detectieprincipe. Tabel 9.2 geeft per optochemisch detectieprincipe een oordeel over de toepasbaarheid voor de in-situ detectie van verontreinigingen in het oppervlaktewater in RWStoepassingen. Bij dit oordeel is vooral gekeken naar de haalbare detectielimieten en de selectiveit. Er is nauwelijks onderscheid gemaakt tussen analyzer en sensortoepassingen omdat ook sensorprincipes vaak eisen stellen aan omgevingsparameters als pH en saliniteit. In de beoordeling is de toepasbaarheid van optische fibers nauwelijks meegenomen, omdat de voordelen van optische fibers minder zwaar tellen bij de in-situ monitoring van verontreinigingen in het oppervlaktewater, zoals RWS die voor ogen staat. sensor versus analyzer

In Hoofdstuk 2 is al gezegd dat de grens tussen sensoren en analyzers niet duidelijk afgebakend is en een onduidelijk grijs gebied vormt. Bij de in-situ detectie van verontreinigingen in het oppervlaktewater geldt dit in nog sterkere mate. Veel optochemische detectieprincipes, ook de

136


principes die in deze studie als veelbelovend zijn gekwalificeerd, stellen eisen aan matrixparameters zoals ionsterkte en pH. Voor dit probleem zijn twee oplossingen mogelijk. Ten eerste is het mogelijk om, naast de in-situ detectie van een verontreiniging, ook de chemische parameters te bepalen die van invloed zijn op de bindingsreactie van de chemische selector. Daardoor kan de meetwaarde, die de concentratie van een verontreiniging weergeeft, gecorrigeerd worden voor variaties in de waarde van relevante chemische parameters. Dit kan bijvoorbeeld met een multisensor die, in analogie met bestaande multiprobes, meerdere parameters kan bepalen. Daarnaast is het mogelijk om een optochemisch sensorprincipe in te bouwen in een anaiyzer. Door reagentia toe te voegen is het mogelijk om relevante chemische parameters voor de meting op een constante waarde te brengen. Tabel 9.2 De optochemische detectieprincipes uit deze studie, die bestaan uit een optische techniek gecombineerd met een moleculaire chemische selector, worden onderling vergeleken aan de hand van de toegepaste selector, het bereik waarin detectie limieten vallen, de selectiviteit en de potentiële toepasbaarheid voorde detectie van verontreinigingen in het oppervlaktewater (AS=absorptiespectroscople, PAS=fotoakoestische spectroscopie, TLS=thermische lens-spectroscopie, PPES=fotopyroelektrische spectroscopie, FL=fiuorescentiespectroscopie, CL=chemiluminescentie(bepaling), BL=bioluminescentie(bepaling), RRS=resonante Ramanspectroscopie, SERS=oppervlakteversterkte Ramanspectroscopie, REF=reflectometrie, IRS=interne reflectiespectroscopie, TIRF=totale interne reflectie rïuorescerrtiespectroscopie, EVAREF=evanescente refractieve technieken). (»*•*• zeer kansrijk, **** kansrijk, *** redelijk kansrijk, ** matig kansrijk, * weinig kansrijk)

optische

selectie-

techniek

principe

AS

(1)

AS AS

(chromo)-ionofoor

AS PAS

anttlichaam

TLS BDS

convent, indicator

PPES

FL FL FL FL FL FL CL BL RRS SERS

REF REF IRS

convent, indicator

convent, indicator

convent, indicator convent, indicator (1) convent, indicator

detectielimiet (M)

selectiviteit

10'Mo 6 10MO'

slecht zeer goed

10'MO 6 10-(-10-lJ

redelijk zeer goed redelijk

10-M0-' 10 ! -10' 10S-109

redelijk redelijk

10'-10' 7 10M010

redelijk matig

10M08

redelijk redelijk

10*-10* 10-M0-"

adsorptie (fluoro)-ionofoor antilichaam fluorescentiedoving

1C-10-' 10-"-10-7

reagens reagens

10*-10-" 10*-10''

spectraal spectraal/adsorptie convent, indicator polymeerlaag polymeerlaag/spectraal

10*-1<J' 10M0- 7 W-10-'

2

5

6

10' -10-

7

RWS in-situ toepassing

*» *•

**

*M

zeer goed zeer goed redelijk

* **#

goed goed redelijk

* * *

redelijk/goed redelijk matig redelijk/goed

*** * # *

* »

* * * *

10'MO zeer goed 10'MO" EVAREF zeer goed 10S-10'° (1) Hier is bedoeld dat bepalingen in de waterkolom Dl;latsvinden zonder dat een chemische selector of een kleurragens toegepast wordt. Onderscheid wordt gemaakt

TIRF

antilichaam antilichaam

door te kijken naar de spectrale verschillen.

137


fiber-optisch versus geïntegreerd-optisch

Het grote voordeel om optische fibers in optochemische sensoren toe te passen, is dat op afstand ('remote') meten mogelijk wordt. Dat maakt in-situ monitoring In een moeilijk bereikbare of gevaarlijke omgeving mogelijk. Dit voordeel is echter minder relevant voor in-situ monitoring door RWS in de Nederlandse rijkswateren. Als een sensor of analyzer in een RWS-meetnet opgenomen wordt, wil RWS in de meeste gevallen dat de meting een trasporteerbaar elektrisch signaal oplevert dat via de bestaande datacommunicatiestructuur getransporteerd en met de bestaande dataverwerkingsprogrammatuur verwerkt en opgeslagen kan worden. Het maakt voor deze RWS-toepassing weinig uit of de transductie van het optische signaal naar een elektrische signaal in of buiten het water gebeurt. In het water kan in een geïntegreerd-optische sensor of een stand-alone analyzer de transductie naar een elektrisch signaal plaatsvinden. Bij een fiber optochemische sensor (FOCS) gebeurt de meting remote in het water en vindt transductie bijvoorbeeld honderd meter verder op de wal of op een platform plaats. In beide gevallen is het resultaat het gewenste elektrische signaal. Het is zelfs de vraag of het mogelijk is om in-situ sensorprincipes te ontwikkelen waarvan de meetwaarde niet beïnvloed wordt door variaties in pH, saiiniteitof andere chemische parameters. Daardoor kan het aantrekkelijker zijn om een optochemisch sensorprincipe toe te passen in een analyzer dan in een in-situ FOCS, waarbij optische fibers niet noodzakelijk zijn. De toepassing van optische fibers in een veldinstrument, dat voor een korte meetperiode naar een locatie gebracht wordt, blijft aantrekkelijk als één spectrometer gecombineerd kan worden met meerdere fibers. Dan is het mogelijk om sneller een representatief beeld van de verontreiniging op een locatie te verkrijgen. Dit geldt nog sterker als het gaat om monitoring van het grondwater op een locatie, zeker als een diepteprofiel gewenst is. optochemische detectieprincipes

In Tabel 9.2 worden de optochemische detectieprincipes uit deze studie beoordeeld op hun toepasbaarheid voor de in-situ detectie van verontreinigingen in oppervlakte- en zeewater. Een optochemisch detectieprincipe bestaat uit de combinatie van een optische techniek en een moleculaire chemische selector of een isolatieprincipe. In Tabel 9.2 wordt de toepasbaarheid voor RWS bepaald aan de hand van de haalbare detectielimieten en de selectiviteit van het optochemische detectieprincipe, Er is geen streng onderscheid gemaakt tussen potentiële sensoren analyzertoepassingen omdat bijna alle chemische sensorprincipes ook gevoelig zijn voor variaties in chemische parameters als pH en saliniteit. Omdat Tabel 9,2 een inventarisatie bevat van bestaande optochemische detectieprincipes, bevat de tabel niet de suggesties uit §9.1 en §9.3 voor nieuwe optochemische detectieprincipes. In Tabe! 9.2 zijn alle detectieprincipes, waarbij direct in de waterkolom gemeten wordt en de selectiviteit gebaseerd is op spectrale verschillen, beoordeeld als weinig of niet kansrijk voor RWStoepassingen. Het gaat detectieprincipes gebaseerd op absorptiespectrocopie (AS), Fluorescentiebepalingen (FL) en resonante Ramanspectroscopie (RRS). Alle optochemische detectieprincipes, waarbij conventionele reagentia toegevoegd worden of indicatoren uit deze reagentia geïmmobiliseerd zijn, worden in deze studie als matig tot redelijk kansrijk aangemerkt. In het algemeen is de selectiviteit onvoldoende en zijn de reacties zeer gevoelig voor variaties in de chemische parameters van de waterkolom. Dat betekent overigens niet dat er geen uitzonderingen zijn waarvan de indicator wel aan de criteria

138


voldoet voor in-situ detectie. Deze reagentia en indicatoren worden gecombineerd met absorptiespectroscopie (AS), fotoakoestische spectroscopie (PAS), thermische lens spectroscopie (TLS), bundel deflectiespectroscopie (BDS), fotopyroelektrische spectroscopie (PPES), reflectometrie (REF) en fluorescentiebepalingen (FL). Door de selectiviteit en de zeer lage detectielimieten wordt de toepassing van chemiluminescente reagentia in analyzers als redelijk kansrijk beschouwd in deze studie, hoewel de stabiliteit van de reagentia in sommige gevallen een probleem kan vormen. Bioluminescentiebepalingen (BL) worden daarentegen als matig kansrijk beschouwd door de nadelen van enzymgebruik voor in-situ toepassingen. De ontwikkeling van de vibrationele technieken SERS (Surface Enhanced Raman Spectroscopy) en IRS (Interne Reflectie Spectroscopie) worden in deze studie als kansrijk beschouwd. Deze technieken (zie §9.3) zijn veelbelovend, hoewel ze nog verder ontwikkeld moeten worden. Zoals in §9.1 al uitvoerig is beschreven zijn de optochemische detectieprincipes gebaseerd op de selectiviteit van ionoforen en antiiichamen zeer kansrijk en veelbelovend voor de in-situ detectie van respectievelijk ionen en organische verontreinigingen in RWStoepassingen. Ionoforen kunnen toegepast worden in absorptiespectroscopie (AS) reflectometrie (REF) en fluorescentiebepalingen (FL). De eerste optische nitraatsensor die gebaseerd is op dit principe wordt momenteel marktrijp gemaakt en zal binnen enkele jaren commercieel verkrijgbaar zijn. Antiiichamen kunnen als chemische selector gecombineerd worden met absorptiespectroscopie (AS), fiuorescentiebepalingen (FL), TiRF, en refractieve evanescente technieken (EVAREF). Met name de laatste groep immunosensoren, waartoe detectie met interferometrie en SPR behoren, is zeer kansrijk omdat detectie mogelijk is zonder het gebruik van indicatorlabels.

139


140


10 Conclusies en aanbevelingen

10.1 Conclusies en aanbevelingen ionoforen Voor de detectie van ionen zijn (chromo-)ionoforen veelbelovende chemische selectoren waarmee micromolaire detectielimieten mogelijk zijn. Nieuwe ionoforen worden ontwikkeld en bestaande ionoforen worden verbeterd. Doordat voor veel ionen al ionoforen ontwikkeld zijn, lijkt het mogelijk om een gestandaardiseerd optisch meetinstrument of optische sensor op basis van een optische techniek te ontwikkelen, waarin voor elk ion een andere ionofoor geplaatst kan worden. Detectie van ionen voor RWS-toepassingen met ionoforen lijkt het meest kansrijk in sensoren gebaseerd op absorptiespectroscopie. Daarbij is de ionofoor direct of indirect gekoppeld met een chromofoor die als optische indicator in het zichtbare gebied fungeert. Dectielimieten tussen 10* M en 10'9 M zijn haalbaar. Naast absorptiespectroscopie lijken fotoakoestische spectroscopie (PAS), thermische lens spetroscopie (TLS) en fotopyro-elektrische spectroscopie (PPES) geschikt als detectietechniek. Ook detectie sensoren-gebaseerd op interne reflectiespectroscopie (IRS) en vibrationele excitatie lijkt kansrijk en de moeite waard om verder te bestuderen. aanbevelingen - Volgen van de ontwikkeling van nieuwe ionoforen. - Inventariseren van bestaande ionoforen, waarmee voor RWS interessante ionen voldoende lage detectielimieten mogelijk zijn en de toepassing in optochemische sensoren. - Het ontwikkelen van een prototype optisch standaardinstrument, waarin ionoforen voor verschillende ionen gemakkelijk verwisseld kunnen worden. - Het uitvoeren van een experimentele haalbaarheidsstudie naar de toepassing van PAS en TLS om de detectielimiet te verlagen in flowthrough membraanoptodes. - Het uitvoeren van een experimentele haalbaarheidsstudie naar de toepassing van geïntegreerde fotopyroelektrische sensor waarbij het membraan met ionofoor op de pyrodetector gecoat wordt, voor de insitu detectie van ionen. - Het uitvoeren van een experimentele haalbaarheidsstudie naar de detectie van ionen met ionoforen met IRS en IR vibrationele excitatie. antilichamen

Voor de detectie van pesticiden en andere toxische organische verbindingen bieden antilichamen het meeste perspectief als chemisch selector in immunosensoren. Met immunosensoren zijn voor pesticiden in het algemeen detectielimieten haalbaar tussen 10 6 en 1 0 " M haalbaar. Optische detectie is mogelijk met fiber-optische fluoroimmunosensoren, TIRF-sensoren en geautomatiseerde enzymimmunoassays als ELISA's. Detectie van pesticiden zonder optische indicatorlabels is mogelijk met refractieve evanescente technieken als interferometrische en SPR-immunosensoren en daarom kunnen deze refractieve evanescente technieken als zeer kansrijk voor RWS sensortoepassingen beschouwd worden. Naast deze immunosensoren worden ook veldinstrumenten op basis van

141


immunoassays ontwikkeld voor snelle monitoring op locatie waarbij minder strenge eisen aan het stand-alone karakter gesteld worden. Ook voor antilichamen is het in principe mogelijk om een optisch standaardinstrument te ontwikkelen waarin voor de detectie van een organische verontreiniging of pesticide alleen het antilichaam veranderd hoeft te worden. aanbevelingen - Het volgen van de ontwikkelingen van antilichamen voor pesticiden en andere organische verontreinigingen. - Het testen van een veldinstrument op basis van immunoassays waarmee op locatie pesticiden gedetecteerd kunnen worden. Dit om binnen RWS ervaring op te bouwen met de analytische toepassing van antilichamen. - Het ontwikkelen van een prototype TIRF-immunosensor voor de detectie van pesticiden. - Het uitvoeren van een experimentele haalbaarheidsstudie naar een immunosensor voor pesticiden met refractieve evanescente detectie, bijvoorbeeld detectie door middel van interferometrie of technieken gebaseerd op SPR (surface plasmon resonace). - Na evaluatie van bestaande detectietechnieken het ontwikkelen van een optische standaardinstrument waarin verschillende antilichamen als chemische selector toegepast kunnen worden zonder dat de optische configuratie hoeft te veranderen. vibrationele technieken Veelbelovende optische technieken voor de in-situ detectie van organische verontreinigingen zijn IRS (Interne Reflectie Spectroscopie) en SERS (Surface Enhanced Raman Spectroscopy). Deze technieken maken gebruik van de vibrationele informatie uit het absorptiespectrum in het infrarood, waar veel organische verbindingen hun moleculaire fingerprint hebben. Met IRS, gebaseerd op de evanescente absorptie door verontreinigingen die penetreren in een polymeerlaag op de lichtgeleider, zijn micromolaire detectielimieten haalbaar. Voor in-situ detectie moet de selectiviteit van de polymeercoatings nog verbeterd worden, wat mogelijk lijkt door chemische selectoren te immobiliseren in de polymeercoatings. Met SERS, gebaseerd op de oppervlakteversterking van het Ramansignaal bij geadsorbeerde verbindingen, zijn micromolaire detectielimieten mogelijk. Polymeercoatings die de selectiviteit verder moeten verbeteren zonder dat de oppervlakteversterking van het Ramansignaal afneemt, zijn in ontwikkeling. aanbevelingen - Het inventariseren van geschikte polymeercoatings voor IRStoepassingen in de literatuur. - Het inventariseren van geschikte reversibele indicatoren/selectoren voor organische verbindingen en ionen die in de polymeercoatings voor IRS-toepassingen geïmmobiliseerd kunnen worden. - Het uitvoeren van een experimentele haalbaarheidsstudie naar de ontwikkeling van een IRS-instrument voor in-situ detectie. - Het inventariseren van geschikte polymeercoatings die de oppervlakteversterking van het Ramansignaa! niet beïnvloeden, en de selectiviteit vergroten. - Het inventariseren van geschikte reversibele indicatoren/selectoren voor organische verbindingen en ionen die in de polymeercoatings of op de metalen oppervlaken geïmmobiliseerd kunnen worden, en waarvan het Ramanspectrum verandert als een binding gevormd wordt.

142


- Het uitvoeren van een haalbaarheidsstudie naar de ontwikkeling van een SERS-instrument of een SERS-sensor voor de in-situ detectie van verontreinigingen in RWS-toepassingen.

143


Bijlage A Afkortingen

In dit rapport worden een aantal afkortingen gebruikt. In deze bijlage worden ze op alfabetische volgorde nogmaals weergegeven o m h e t opzoeken van d e afkortingen tijdens het lezen t e vergemakklijken. Hoewel in dit rapport Engelse vaktermen zoveel mogelijk zijn vertaald, is er voor gekozen o m d e Engelse afkortingen t e gebruiken. Dit lijkt inconsequent, maar het is bedoeld om na het lezen van dit verslage het zoeken in de bestaande literatuur te vergemakkelijken. Zowel zoektermen in elektronische literatuurbestanden als de sleutelwoorden in een wetenschappelijk artikel bevatten vaak de afkortingen van technieken en verbindingen. In deze bijlage wordt bij de afkorting eerst de Nederlandse term gegeven die niet hoeft overeen te komen met de afkorting. Naast de Nederlandse term wordt ook d e Engelse term gegeven die wel overeenkomt met de Engelse afkorting. AAS AES AS BDS BL CL DWB ELISA EM FIA FI1A FL FOCS GCS INT IR IRE IRS ISE ISFET L1F MM N1R NW3 PAK PAS ppb ppbv ppm ppmv ppt POCS

Atomaire Absorptiespectroscopie (Atomic Absorption Spectroscopy) Atomaire Emissiespectroscopie {Atomic Emission Spectroscopy) ' • Absorptiespectroscopie (Absorption Spectroscopy) Bundel Deflectiespectroscopie (Beam Deflection Spectroscopy) Bioluminescentie (Bidluminescence) Chemiluminescentie (Chemiluminescence) drinkwatedeidingbednjven Heterogeen enzymimmunoassay (Enzyme Linked ImmunoSorbent Assay) elekromagnetisch Flow-lnjectie Analyse (Flow-lnjectie Anatysis) Flow-injectie Immunoassay Fluorescentiespectroscopy (Fluorescence Spectroscopy) Fiber Optochemische Sensor (Fiber-Optie Chemical Sensor) (Grating Coupler Sensor) Interferometrie (Interferometry) Infrarood Intern Reflectie-element Interne Reflectiespectroscopy (Internal Reflectance Spectroscopy) Ion-selectieve elektrode (lon-selective electrode) lon-selektive veld-effect transistor Laser geïnduceerde fluorescentie (Laser Induced Fluorescence) Multimode Nabij infrarood Derde Nota Waterhuishouding Polycyclische Aromatische Koolwaterstof Fotoakoestische spectroscopie (PhotoAcoustic Spectroscopy) parts-par-billion parts-par-billion by volume parts-par-million parts-par-million by volume parts-par-trillion Planaire lichtgeleider Optochemische Sensor (Planair

144


PPES PVC REF RIA RIKZ RIZA RRS RWS SERS SERRS SM SPF SPR TGS TIR TIRF TLs VOC UV

waveguide Optochemical Sensor) Fotopyro-elektrische spectroscopie (Photopyroelectric Spectroscopy) Polyvinylchloride Reflectometrie Radioimmunoassay Rijksinstituut voor Kust en Zee Rijksinstituut voor Integraal Zoetwaterbeheer en Afvalwaterbehandeling Resonantie Ramanspectroscopy (Resonance Raman s pectroscopy) Rijkswaterstaat Oppervlakteversterkte Ramanspectroscopy (Surface Enhanced Ramanspectroscopy) Oppervlakteversterke Resonante Ramanspectroscopie (Surface Enhanced Resonance Raman Spectroscopy) Single mode Vaste stof fluorometrie (Solid Phase Fluorometry) Oppervfakteplasmonresonantie (Surface Piasmon Resonance) Thermisch Traliespectroscopy (Thermal Grating Spectroscopy) Totale Interne Reflectie Totale Interne Reflectie Fluorescentie (Total Internal Reflectance Fluorescence) Thermische Lens Spectruscopie (Thermal Lensing Spectroscopy Vluchtige Organische Component (Volatile Organic Component) Ultra-violet

145


Bijlage B Antilichamen voor verontreinigingen

Voor veel toxische organische verbindingen zoals pesticiden bestaan imrnunoassays waarmee zeer lage concentraties van deze verontreinigingen gedetecteerd kunnen worden. Voor veel immurtoassasys zijn specifieke antilichamen ontwikkeld. In de tabel in deze bijlage wordt een overzicht gegeven van organische verontreinigingen waarvoor antilichamen bekend zijn. Hiervoor is gebruik gemaakt van de gegevens uit de referenties [4.8, 4.9] en de daarin genoemde referenties. Om praktische redenen w/orden in Tabel B1 de Engelse namen van de verbindingen gebruikt en niet de Nederlandse naam. Tabel B.1 Organische verontreinigingen

herbiciden

fungiciden

insekticiden

waarvoor antilichamen bekend zijn (* Monoclonaie antilichamen

Alachor* Atrazine

Benomyl

Aldicarb Aldrin

zijn beschikbaar voor deze verontreinigingen).

Triazines* Bentazon Chlorsufuron Comazone Cyanazin

Blasticlden S Carbofuran Fenpropimorph Metalaxy ' Sulfatiazole Tridimefon

Dinitro aromates Maleic* hydrazide* Metazachlor

Benzoylphenyl urea derivatives Bioallethrin Carbamate Chlordane

Norflurazon Paraquat* Picloram

DDA DDt Dieldrin Diflubenzuron Endosulfan Chlordienes

Thiocarbamate Trifluralrn

Fenitrothton* Heptachlor* Iprodion Malathion Paraoxon* parathion* Penfluron Permethrin pyrethroids

146

chemicaliën Benzene Toluene Xylene Nitroaromatics PCBs Pentachlorophenol


147

1


Referenties

[B1]

Van Emon, J.M.; Lopez-Avila, V.; 1992, And. Chem. 64 (2), pp. 79A-88A, Immimochemical methods for environmental analysis

[B2]


148

Optische Sensoren voor de Bepaling van de Waterkwaliteit

Recommend Documents