Mikrofluidisches, papierbasiertes Analysegerät zur kolorimetrischen Erkennung von Fluoridionen mit Smartphone-Anzeige.

Die Fluoridbelastung des Trinkwassers stellt eine gravierende Umweltproblematik dar und bedroht weltweit unsere Gesellschaft erheblich. Dieser Schadstoff ist weit verbreitet und gelangt auf natürliche Weise durch die Lösungsmittelwirkung von Wasser auf Gestein und Boden ins Grundwasser. Hinzu kommen industrielle Aktivitäten wie die Aluminium- und Stahlproduktion, die Glas- und Halbleiterherstellung, die Düngemittelproduktion und die Galvanotechnik. Diese doppelte Herkunft unterstreicht die dringende Notwendigkeit umfassender Strategien zur Bekämpfung der globalen Fluoridbelastung von Wasserquellen [1,2].

Diese Probleme betreffen Regionen weltweit und erfordern wirksame Strategien zur Fluoridreduzierung, um die Wasserqualität und die öffentliche Gesundheit zu schützen. Ein hoher Fluoridgehalt im Wasser verursacht Zahn- und Skelettprobleme, Knochenschäden, Muskelschwäche, Müdigkeit und schwere gesundheitliche Komplikationen bei Organismen [3]. Aufgrund dieser schädlichen Folgen hat die Weltgesundheitsorganisation (WHO) einen maximal zulässigen Grenzwert von 1.5 mg/l (78.9 %) festgelegt. uM) für Trinkwasser [4]. Dennoch überschreiten die Fluoridkonzentrationen in verschiedenen Wasserquellen weltweit diesen vorgeschriebenen Standard, weshalb der Entwicklung analytischer Methoden zum Nachweis von Fluoridionen große Aufmerksamkeit gewidmet wurde.

Es gibt etablierte Methoden zur Fluoridbestimmung in Abwasser. Zu den gebräuchlichsten zählen die Ionenchromatographie [5], die Massenspektrometrie [6] und potentiometrische Verfahren [7]. Obwohl diese Methoden hochsensitiv und selektiv für die Fluoridbestimmung sind, erfordern die meisten eine Probenvorbereitung. Dies erschwert oder verhindert In-situ-Messungen, die jedoch für die Fluoridbestimmung in Wasser unerlässlich sind. Darüber hinaus benötigt ihre Anwendung in der Regel spezielle und teure Laborausrüstung sowie qualifiziertes Personal zur Auswertung der Ergebnisse.

Derzeit besteht Bedarf an neuen Analysemethoden, die den schnellen und einfachen Nachweis und die Quantifizierung von Fluoridionen ermöglichen, ohne dass eine Probenvorbehandlung erforderlich ist und nur geringe Proben- und Reagenzienmengen benötigt werden. Dank der Fortschritte bei mikrofluidischen, papierbasierten Analysegeräten (uFür die Bestimmung von Fluoridionen wurden verschiedene analytische Strategien evaluiert (PAsD). Darunter stechen optische Methoden hervor, die hauptsächlich auf Farb- und Fluoreszenzänderungen basieren [[8], [9], [10], [11]].

Alle diese Methoden basieren auf der Immobilisierung von Farbstoffen oder Fluorophoren auf Papierträgern, die für den Fluoridnachweis vor Ort ohne Probenvorbehandlung entwickelt wurden. Diese Techniken stellen eine attraktive Alternative zu herkömmlichen Analysemethoden dar. uPapierbasierte Analysegeräte (PADs) ermöglichen nicht nur Messungen vor Ort, sondern erleichtern auch die Ergebnisinterpretation durch leicht verständliche Farbänderungen. Eine wesentliche Herausforderung bei der kolorimetrischen Bestimmung mit Papiergeräten ist jedoch die Farbinterpretation, die insbesondere bei niedrigen Konzentrationen der Zielsubstanz subjektiv sein und zu falsch positiven oder falsch negativen Ergebnissen führen kann. Digitale Bildverarbeitungsgeräte, insbesondere Smartphones, haben sich daher als wertvolle Unterstützung bei der Verbesserung der Empfindlichkeit und Benutzerfreundlichkeit papierbasierter Analysegeräte erwiesen. Ihre Fähigkeit, geringfügige Farbänderungen zu erfassen, ermöglicht in Kombination mit bildbasierter Datenverarbeitung eine präzisere und quantitative Interpretation der Analyseergebnisse [12], [13]. Um die Empfindlichkeit dieser Geräte zu verbessern, wird häufig der Einsatz digitaler Bildverarbeitungsgeräte wie Smartphones, Scanner oder Digitalkameras vorgeschlagen, um ein Bild des Sensorbereichs aufzunehmen und die Farbe mittels mathematischer Analyse zu interpretieren [14]. Diese Integration von Bildverarbeitungsgeräten verbessert die analytische Leistungsfähigkeit von PADs. uPADs ermöglichen quantitative Analysen, erlauben Messungen vor Ort und erleichtern die Interpretation der Ergebnisse durch gut sichtbare Farbänderungen [[15], [16], [17]].

Eine weitere Strategie zur Verbesserung der Empfindlichkeit dieser Geräte betrifft die Erkennungschemie. Ein Schlüsselelement solcher Systeme ist die Verwendung eines molekularen Sensors, der sich leicht herstellen lässt und eine deutliche, mit bloßem Auge erkennbare Farbänderung hervorruft – was eine einfachere kolorimetrische Detektion ermöglicht. Ausgehend von der Suche nach einem solchen Sensor konzentrierten wir uns auf Donor-Akzeptor-Systeme (DA-Systeme) mit einfachen, aber robusten Syntheseverfahren und fanden diese in Chemodosimetern, die auf dem Dicyanomethylen-4H-Pyran-Gerüst basieren. Unseres Wissens wurde bisher nur eines dieser Systeme als „Turn-on“-Sensor zur Detektion von Fluorid-Anionen eingesetzt, allerdings im Kontext der Fluoreszenzdetektion [18], aufgrund seiner hohen Empfindlichkeit. Dieser Chemosensor wurde hinsichtlich seiner Fluoreszenzeigenschaften im NIR-Bereich untersucht, da er eine reduzierte Hintergrundemission und Lichtstreuung aufweist und gleichzeitig Gewebeschäden durch Photodamage verhindert. Im vorliegenden Fall einer kolorimetrischen Detektion… uDa für den PAD-Sensor keine NIR-Fluoreszenz erforderlich war, konnte eine weniger konjugierte Struktur verwendet werden; außerdem könnte ein labilerer TBDMS-Ether anstelle eines TBDPS-Ethers die Empfindlichkeit in einem Papiersystem verbessern. Daher sahen wir DCMSi als geeigneten Chemosensor für seine Anwendung in uPAD-Systeme würden ein ähnliches optisches Verhalten beibehalten (starke Farbänderung bei der Abspaltung der TBDMS-Einheit nach Behandlung mit Fluorid), wenn auch nicht im NIR-Bereich, aufgrund des intramolekularen Ladungstransfermechanismus (ICT), der durch das resultierende Phenoxid-Ion hervorgerufen wird.

Wir berichten über einen kolorimetrischen Fluoridsensor auf Papierbasis, auf dem ein Styryl-Dihydropyranylidenmalononitril mit Silylethergruppe (DCMSi) immobilisiert ist, welches selektiv mit fluoridhaltigen Salzen reagiert. Die Reaktion zur Bildung des entsprechenden Fluorsilans führt aufgrund des Donor-Akzeptor-Charakters der beteiligten Gruppen zu einem starken Farbumschlag. Die erzielten Ergebnisse belegen die Zuverlässigkeit und Genauigkeit dieses neuen Sensors zur Fluoridbestimmung und machen ihn zu einem vielversprechenden kolorimetrischen Sensor, der sich durch geringe Kosten, schnelle Ergebnisse, hohe Selektivität und eine sehr niedrige Nachweisgrenze auszeichnet.