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Nr. 36

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Glossar

Universitätsdruckerei

Spurensuche

Wissenschaftler am Institut für Physikalische Chemie entwickeln ein Gerät, das gasförmige Chemikalien in minimalen Konzentrationen aufspürt.

Die Aufgabe klingt banal. Mit den heute zur Verfügung stehenden Methoden sollte es doch möglich sein, jede chemische Substanz nachzuweisen. Im Prinzip ist das auch so, aber die Tücke steckt im Detail. Es gibt tatsächlich eine Reihe von Anforderungen, unter anderem bei der Arbeitsplatzsicherheit, in der Medizin oder in der Flughafenkontrolle, für die es technisch noch keine optimale Lösung gibt. Einer der Knackpunkte ist die Nachweisgrenze von Messgeräten. Je geringer der Anteil einer Substanz, zum Beispiel in der Raumluft ist, desto komplizierter wird der Nachweis.

»Wenn ich eine Aufkonzentration vorher machen kann, zum Beispiel durch Anreicherung der nachzuweisenden Substanz an eine Trägersubstanz, kann ich natürlich beliebig komplexe Analysetechniken anwenden«, erklärt Dr. Tassilo Muskat vom Institut für Physikalische Chemie. In manchen Fällen geht das aber nicht, beispielsweise »wenn ich eine akute Kontamination (Verunreinigung) feststellen will, die eine sofortige Reaktion erfordert, etwa die Unterbrechung eines Produktionsprozesses.« Schwierigkeiten bereitet mitunter auch die Treffsicherheit von Sensoren. »Einige Nachweismethoden können zum Beispiel Benzol und andere aromatische Verbindungen wie Toluol nicht auseinander halten«, so Muskat. Diese Unterscheidung ist jedoch für die Arbeitsplatzsicherheit von großer Bedeutung, da für Benzol als krebsauslösende Substanz sehr viel niedrigere Konzentrationen am Arbeitsplatz eingehalten werden müssen als für Toluol.

Um ein Instrument zu entwickeln, das flüchtige oder gas­förmige Verbindungen in niedriger Konzentration zuverlässig nachweist, kombinieren die Wissenschaftler in der Arbeits­gruppe von Professor Jürgen Grotemeyer zwei Analyse­techniken – die Flugzeitmassen­spektrometrie und die Laserspektroskopie.

Muskat: »Den Laser nutzen wir zur Ionisation der Moleküle, also um die Moleküle in geladene Teilchen zu überführen.« Die Wellenlänge, die hierfür benötigt wird, ist von der Struktur des Moleküls abhängig. Sie erlaubt gewisse Rückschlüsse auf die vorliegende Substanz, ist jedoch alleine nur bei hohem apparativen Aufwand eindeutig. Im Flugzeitmassenspektrometer werden die geladenen Teilchen, die Ionen, anschließend in einem elektrischen Feld beschleunigt. Die Wissenschaftler messen die Zeit, die sie brauchen, um eine bestimmte Strecke zu durchfliegen. Anhand dieser Zeit lässt sich auf die Masse der Teilchen im Verhältnis zu ihrer Ladung schließen. Durch Kombination beider Untersuchungen kann die betreffende Chemikalie identifiziert werden.«

Ergänzend zu der Geräteentwicklung erstellen die Wissenschaftler am Institut für Physikalische Chemie eine Datenbank für Substanzen. »Das heißt, wir ermitteln für jede Substanz Masse und Laser­wellenlänge, der Kreuzungspunkt von beiden ist jeweils charakteristisch für eine bestimmte Verbindung«, so Muskat. Wenn so eine Datenbank aufgebaut ist, könnte man mit dem Instrument theoretisch alles analysieren. Im Moment ist es aber eher als eine Art ›Spürhund‹ konzipiert, der auf einige wenige Substanzen spezialisiert ist und der autark arbeitet, ohne dass eine spezialisierte Fachkraft eingreifen muss.

Die Arbeiten an dem neuen Analysegerät, das ungefähr die Größe eines Schuhkartons hat, sind bereits weit fortgeschritten. Muskat: »Das Auflösungsvermögen des Massenspektrometers ist ausreichend für die Substanzen, für die es später eingesetzt werden soll, und die Laserionisation funktioniert auch. Jetzt geht es darum, die Nachweisgrenze weiter zu drücken, also die Empfindlichkeit noch weiter zu steigern, um zum Beispiel in der Flughafenkontrolle Spurenstoffe neben anderen Chemikalien sicher nachzuweisen.« (ne)

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