Portabler nanoplasmonischer Multiplex-Sensor für die gleichzeitige Messung verschiedener Cyanotoxinen in Oberflächengewässern

• Forschungsstelle: BAFU
• Projektnummer: UTF 768.18.25

Schlüsselwörter (Deutsch)

Cyanotoxine, Cyanobakterien (Blaualgen), Klimaerwärmung, ELISA, LC-MS/MS, nanoplasmonischer Biosensor, Oberflächenplasmonresonanz (SPR), Wasserqualität, Microcystin-LR,

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Cyanotoxine werden von Cyanobakterien (Blaualgen) gebildet. Das Wachstum dieser Bakterien wird durch bestimmte Umweltbedingungen, z.B. einem hohen Nährstoffgehalt im Wasser oder günstigen Licht- und Temperaturbedingungen, begünstigt. Mit der Klimaerwärmung können solche Algenblüten in Schweizer Gewässern zunehmen. Die dabei entstehenden Cyanotoxine können gesundheitsschädigend sein und belasten deshalb die Wasserqualität. Ihre Überwachung ist zurzeit aber noch schwierig. Bestehende Methoden wie ELISA und LC-MS/MS sind entweder nicht spezifisch genug oder zu infrastrukturabhängig für den häufigen Einsatz.

Die Neosens-Plattform besteht aus einem tragbaren Lesegerät und Einweg-Kartuschen, in die die Proben für die Analyse eingeführt werden. In den Kartuschen ist ein Biosensor integriert. Das vorliegende Projekt zielt darauf ab, diesen nanoplasmonischen Biosensor so weiterzuentwickeln und zu validieren, dass er mit einer ähnlichen Empfindlichkeit wie bestehende Systeme (bis zu ~0,1 μg/L) gleichzeitig mehrere Cyanotoxine vor Ort im Wasser nachweisen kann. Das Sensorsystem basiert auf einer patentierten EPFL-Technologie, die dank Oberflächenplasmonresonanz (SPR) eine schnelle, empfindliche und kostengünstige Analyse für die Frühwarnung und die Überwachung der Wasserqualität ermöglicht. Der aktuelle Sensor verwendet Gold-Nanoloch-Arrays in Kombination mit Goldnanopartikeln, um eine optische Detektion zu ermöglichen.

Nach vielversprechenden Machbarkeitsergebnissen für den Nachweis von Microcystin-LR soll nun in Zusammenarbeit mit der EPFL und dem Laboratorium des kantonalen Amtes für Umweltüberwachung Tessin die Leistung optimiert und auf andere relevante Cyanotoxine ausgeweitet werden. Dafür sollen die Oberflächenchemie und Biofunktionalisierung der Sensorchips optimiert, Erkennungselemente für mehrere Cyanotoxine ausgewählt und validiert werden, Tests zur Empfindlichkeit, Spezifität, Reproduzierbarkeit und Zeit bis zum Ergebnis durchgeführt und das System in Zusammenarbeit mit dem kantonalen Laboratorium Tessin mit Referenzmethoden (z. B. LC-MS/MS) verglichen werden

Ergebnisse gemäss Vertrag (Deutsch)

1. Die Zusammenarbeit mit Forschungsgruppen, die ebenfalls in diesem Bereich arbeiten, insbesondere der Eawag (Elisabeth Janssen) und der Uni Neuchâtel (Pilar Junier) ist organisiert. Drei weitere Cyanotoxine können mit Hilfe von SPR detektiert werden. Die Ergebnisse sind in einem Machbarkeitsbericht über die SPR-Reaktion und die chemische Kompatibilität für jedes der drei Toxine dargestellt. Meilenstein 1
   
   
2. Die Ergebnisse aus 3.1 sind auf die Neosens-Plattform übertragen und der Sensor so weit optimiert, dass für jedes der drei neuen Toxine ein stabiles Nachweisprotokoll auf der Neosens-Plattform erscheint. Meilenstein 2
   
   
3. Ein funktionierendes Multiplex-Setup mit minimierter Kreuzreaktivität und optimiertem Nachweis-Layout, das alle 4 Cyanotoxine gleichzeitig misst, ist implementiert und getestet. Meilenstein 3
   
   
4. Die analytische Leistung des Multiplex-Sensors ist vollständig charakterisiert (Bewertung von Limit of detection LOD, Empfindlichkeit, Spezifität, Reproduzierbarkeit und Zeit bis zum Ergebnis) und in abschliessenden Tests mit echten Proben validiert. Meilenstein 4
   
   
5. Ein Schlussbericht mit Darstellung der Ergebnisse aus 3.1 bis 3.4 und dem weiteren Vorgehen ist redigiert und dem BAFU abgegeben. Der Bericht gibt zudem Auskunft zur erfolgten Zielgruppenansprache (zukünftige Nutzer der Innovation), den Massnahmen zur Markteinführung und zu den erwarteten Entwicklungen bis in 5 Jahren.
   
   
6. Textbausteine, Illustrationen und mindestens 3 Fotografien
   (genauere Angaben s. Beilage 3) für die Verwendung in öffentlichen Publikationen sind bereitgestellt und dem BAFU abgegeben.
   
   
7. Eine Präsentation der Ergebnisse mit entsprechender Power-Point Darstellung wird am Schluss des Projektes für interessierte Personen aus dem BAFU durchgeführt.

Projektziele (Deutsch)

Basierend auf der Technologie der Oberflächenplasmonresonanz (SPR) wurde der Prototyp eines Multiplex-Sensors, der gleichzeitig vier verschiedene Cyanotoxine misst, gebaut und im Labor getestet. Der Multiplex-Sensor wurde in Zusammenarbeit mit dem Laboratorium des kantonalen Amtes für Umweltüberwachung Tessin in realen Proben validiert und mit verschiedenen Referenzmethoden verglichen. Die Arbeiten erfolgten im Kontakt mit anderen Forschungsgruppen, die auf dem gleichen Gebiet tätig sind.