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Feinstaub in der Luft oder Nanopartikel im Wasser – mit einer verblüffenden neuen Technologie der TU Wien lassen sich winzige Mengen verschiedenster Stoffe in kurzer Zeit nachweisen.
In jahrelanger Arbeit wurde an der TU Wien eine ungewöhnliche neue Messtechnik entwickelt: Man verwendet Nanomembranen und Infrarotstrahlen, um winzige Mengen unterschiedlicher Stoffe zu detektieren. Nun konnte man zeigen: Die Technologie ist reif für den praktischen Einsatz und übertrifft in vielen Punkten bisherige Methoden um Größenordnungen. Im Nano- oder Pikogrammbereich können Umweltschadstoffe aufgespürt werden – in Minuten erhält man Ergebnisse, auf die man bisher tage- oder wochenlang warten musste.
Diese Messtechnik wurde über die letzten Jahre an der TU Wien entwickelt und verfeinert – in Zusammenarbeit mit dem Spin-Off „Invisible-Light Labs“, das Prof. Silvan Schmid gemeinsam mit Dr. Josiane P. Lafleur, Dr. Niklas Luhmann und Dr. Hajrudin Bešić gründete. Das daraus entstandene Produkt „EMILIETM“ ist nun im Handel erhältlich und die ersten wissenschaftlichen Veröffentlichungen sind erschienen. In zwei Fachartikeln konnte das Team nun zeigen, wie gut die neue Methode funktioniert: In „Science Advances“ wurde die Technik auf Aerosole in der Luft angewandt, in „ACS Nano“ auf Nanopartikel in Wasser – so konnte man etwa winzigste Rückstände eines Nylon-Teebeutels im Tee messen. „Nun haben wir den entscheidenden Schritt geschafft: Wir konnten zeigen, dass unsere Methode im praktischen Einsatz exzellente Ergebnisse liefert und deutlich bessere als andere Methoden.“
Durch unsichtbares Licht wird vieles sichtbar
„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.“
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.
Der Trick mit der Nanomembran
„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.
Grönlandluft und ein Nanoliter Tee
Wenn man 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 dem Membran-Trick 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.
„Wir haben damit gezeigt, dass unsere Methode einen wichtigen Sprung nach vorne in der Umweltanalytik ermöglicht“, sagt Silvan Schmid. „In Zusammenarbeit mit Invisible-Light Labs wollen wir nun an der Kommerzialisierung dieser Technik weiterarbeiten und so hoffentlich einen Beitrag für wirksameren Umweltschutz leisten.“
Prof. Silvan Schmid
Institut für Sensor- und Aktuatorsysteme
Technische Universität Wien
+43 1 58801 36604
silvan.schmid@tuwien.ac.at
M Surdu et al., Quantifying submicrometer atmospheric aerosol chemical composition using nanoelectromechanical Fourier transform infrared spectroscopy, Science Advances (2016). DOI: 10.1126/sciadv.aeb2254, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster
J. Timarac-Popovic et al., Picogram-Level Nanoplastic Analysis with Nanoelectromechanical System Fourier Transform Infrared Spectroscopy: NEMS-FTIR, ACS NANO 20/14 (2026).
Jelena Timarac Popovic
Quelle: Romana Maalouf Photography
Copyright: Romana Maalouf Photography
Der neuartige Sensor
Quelle: Romana Maalouf Photography
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Merkmale dieser Pressemitteilung:
Journalisten
Chemie, Elektrotechnik, Umwelt / Ökologie
überregional
Forschungsergebnisse, Wissenschaftliche Publikationen
Deutsch
Jelena Timarac Popovic
Quelle: Romana Maalouf Photography
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Der neuartige Sensor
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