Neue Methode für die Vor-Ort-Analyse von Schwermetallen in Boden und Wasser

Ein internationales Forschungsteam unter der Beteiligung von Wissenschaftler*innen der Universität Paderborn hat ein neues Verfahren entwickelt, mit dem sich toxische Arsen-Verbindungen in Böden und Gewässern schnell sowie präzise bestimmen lassen. Die Untersuchung belegt, wie unkomplizierte Technologien kostenintensive Laboranalysen überflüssig machen und eine direkte Überprüfung direkt vor Ort erlauben.

Arsen ist nicht gleich Arsen

Das Schwermetall Arsen tritt in Böden und Gewässern auf, wobei seine Toxizität maßgeblich von der jeweiligen chemischen Form bestimmt wird. Für die Forschung ist daher die exakte Differenzierung zwischen Arsen(III) und Arsen(V) entscheidend. „Diese beiden Formen verhalten sich in der Umwelt völlig unterschiedlich und haben auch unterschiedliche Auswirkungen auf die Gesundheit. Bisher waren Messungen auf diesem hohen Niveau aber sehr teuer und kompliziert“, erklärt Prof. Dr. Thomas Zentgraf.

Für den Spurennachweis nutzt man derzeit meist das SERS-Verfahren („Surface-Enhanced Raman Scattering“). Diese hochsensitive Analysetechnik kombiniert konventionelle Raman-Spektroskopie mit nanostrukturierten Metalloberflächen, wodurch das Raman-Signal von Molekülen um das Millionenfache verstärkt wird. So kann man selbst minimalste Spuren chemischer oder biologischer Substanzen eindeutig identifizieren. Allerdings setzt die Methode komplexe Herstellungsprozesse voraus, die häufig Spezialmaschinen sowie teure Materialien erfordern. Zudem verlangen die Sensoren für eine zuverlässige Funktion oft eine chemische Vorbehandlung. „Auch die Auswertung der Daten erfordert häufig leistungsstarke Computer und teure Messgeräte, die nicht einfach vor Ort eingesetzt werden können“, ergänzt Prof. Zentgraf.

Schnell, günstig und vor Ort einsetzbar

Als innovative Lösung hat das Forschungsteam die sogenannte „Loch-Sphäre-Nanogap-Plattform“ entwickelt, bei der sich Gold-Nanopartikel selbstständig auf einer Goldoberfläche anordnen. Eine anschließende thermische Behandlung sowie leichtes Anätzen ersetzen die komplizierte fotolithografische Strukturierung. Das Resultat ist eine extrem zuverlässige Plattform mit minimalen Messschwankungen, die das Lichtsignal um das 100-Millionenfache verstärkt und so kleinste Arsenmengen sichtbar macht. Da die Struktur rein metallisch ist, bleibt die Messung frei von störenden Materialsignalen.

Der entscheidende Vorteil liegt in der Einfachheit: Das Verfahren kommt ohne teure Maschinen oder Spezialchemikalien aus und funktioniert selbst mit weniger präzisen Messgeräten. Die erfolgreiche Identifikation der Arsen-Varianten mittels einfacher Filter oder Smartphones macht die Methode ideal für den mobilen Praxiseinsatz auf Baustellen oder in der Landwirtschaft.

Quelle

Universität Paderborn (05/2026)