An der TU Wien wurde über mehrere Jahre eine neuartige Messtechnik entwickelt, die kleinste chemische Substanzen zuverlässig nachweisen kann. Mithilfe von Nanomembranen und Infrarotstrahlung lassen sich Schadstoffe im Nano- und Pikogrammbereich identifizieren – und das innerhalb weniger Minuten. Damit übertrifft die Methode herkömmliche Verfahren, die oft Tage oder Wochen benötigen.
Die Technologie entstand in Zusammenarbeit mit dem Spin-Off „Invisible-Light Labs“, gegründet von Prof. Silvan Schmid, Dr. Josiane P. Lafleur, Dr. Niklas Luhmann und Dr. Hajrudin Bešić. Das Produkt „EMILIETM“ ist inzwischen im Handel erhältlich. Studien in „Science Advances“ und „ACS Nano“ belegen die Leistungsfähigkeit der Methode sowohl für Luft- als auch Wasseranalysen.
Durch unsichtbares Licht wird vieles sichtbar
Die Methode nutzt Infrarotstrahlung, um chemische Substanzen anhand ihrer spezifischen Reaktion auf unterschiedliche Wellenlängen zu identifizieren.
„Prinzipiell kann man heute praktisch jede chemische Substanz in winzigen Spuren nachweisen“, sagt Silvan Schmid, der Leiter des Forschungsteams. „Man kann zum Beispiel eine Probe mit vielen unterschiedlichen Wellenlängen im Infrarotbereich bestrahlen. Unterschiedliche Moleküle reagieren auf unterschiedliche Wellenlängen – daran kann man erkennen, welche Moleküle in der Probe vorhanden sind.“
Der neuartige Sensor
Allerdings stößt man dabei auf Probleme: Man braucht eine ausreichende Menge der gesuchten Substanz, um ein messbares Signal zu erhalten. Andere, uninteressante Bestandteile der Probe können das eigentlich gesuchte Signal überlagern und es unsichtbar machen, ähnlich wie der Lärm eines Presslufthammers den Gesang eines Vogels unhörbar macht.
Nanomembran als Schlüsseltechnologie
„Wir haben in den letzten Jahren aber eine Detektions-Methode entwickelt, die winzige Stoffmengen zuverlässig messbar macht“, sagt Silvan Schmid. Man untersucht Partikel, die sich auf einer winzigen Membran anlagern. Die Membran mitsamt den Partikeln wird von einem Infrarotstrahl beleuchtet. Bestimmte Wellenlängen werden von den Partikeln besonders gut absorbiert, dadurch erwärmen sich die Partikel und damit auch die Membran. Das führt dazu, dass sich das Schwingungsverhalten ein kleines bisschen ändert – ähnlich wie eine Trommel, die je nach Temperatur leicht unterschiedlich klingt. Diese Unterschiede kann man messen und dadurch winzige Partikelmengen chemisch identifizieren.
Schnelle Analysen in Luft und Wasser
Ein wesentlicher Vorteil der Methode ist die drastisch verkürzte Probenahmezeit: Wenn man bisher etwa winzige Feinstaub-Partikel in der Luft nachweisen wollte, verwendete man bisher spezielle Filter, die oft tage- oder wochenlang von Luft durchströmt werden mussten, bis sich dort eine nachweisbare Partikelmenge angesammelt hatte. Mit der Membran reicht eine viel geringere Anzahl von Partikeln – schon nach 15 bis 45 Minuten hat man ein Ergebnis. Diese 100-fach verkürzte Probenahme ermöglicht kostengünstige Feldstudien zur chemischen Zusammensetzung atmosphärischer Aerosole – von urbanen Ballungsräumen bis in die Polarregionen.
Prof. Julia Schmale vom Extreme Environments Research Laboratory (EERL) der EPFL in der Schweiz konnte mit der neuen Methode Aerosole aus arktischen und antarktischen Regionen untersuchen, um deren Einfluss auf das Klima zu verstehen. Die neuartigen Sensoren sind so empfindlich und gleichzeitig so transportabel, dass man sie in Polarregionen an Fesselballons steigen lassen konnte, um die vertikale Verteilung von Luftpartikeln und deren chemische Zusammensetzung zu untersuchen.
„Dank der hohen Empfindlichkeit unserer Methode kann Julia Schmales Team die chemische Zusammensetzung von Partikeln mit hoher zeitlicher Auflösung untersuchen. Es ist nun gewissermaßen möglich, mithilfe von Fesselballons zu beobachten, wie sich die chemische Zusammensetzung von Aerosolpartikeln über sehr kurze Zeiträume verändert und wie sie sich vertikal an der Erdoberfläche und in der Höhe verteilen – etwas, das mit bisherigen Methoden praktisch unmöglich war“, erklärt Josiane P. Lafleur, Geschäftsführerin von Invisible-Light Labs.
Auch mit Flüssigkeiten funktioniert die Technologie bestens: Die Gruppe von Silvan Schmid an der TU Wien analysierte 100 Nanoliter Teewasser – ungefähr ein Tausendstel eines Tropfens. Und in dieser winzigen Menge konnte man nicht nur Teepartikel finden, man konnte sogar Nylon-Rückstände des Teebeutels nachweisen.
Neue Perspektiven für Forschung und Umweltschutz
Die Technologie eröffnet weitreichende Möglichkeiten für die Umweltanalytik – von der Luftqualitätsüberwachung bis zur Untersuchung von Gewässern. Durch die Kombination aus hoher Empfindlichkeit, Geschwindigkeit und Mobilität lassen sich Umweltveränderungen deutlich schneller und genauer erfassen als bisher.
„Wir haben damit gezeigt, dass unsere Methode einen wichtigen Sprung nach vorne in der Umweltanalytik ermöglicht“, sagt Silvan Schmid.
Gemeinsam mit Invisible-Light Labs wird nun an der weiteren Verbreitung der Technologie gearbeitet, um ihren Einsatz in Forschung und Praxis auszubauen.
Originalpublikation:
M Surdu et al., Quantifying submicrometer atmospheric aerosol chemical composition using nanoelectromechanical Fourier transform infrared spectroscopy, Science Advances (2016). DOI: 10.1126/sciadv.aeb2254
Quelle: TU Wien
