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Hochempfindliche künstliche Sinne: Meß- und Testsysteme auf der ANALYTICA 2000

05.04.2000 - (idw) Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg

Auf der ANALYTICA 2000, der Internationalen Fachmesse für Analytik, Biotechnologie, Diagnostik und Labortechnik in München, wird vom 11. bis zum 14. April 2000 am Gemeinschaftsstand von "Bayern Innovativ", aber auch in einer Firmenpräsentation ein breites Spektrum von Ergebnissen der Forschungs- und Entwicklungsarbeit zweier Einrichtungen der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg zu sehen sein. Die Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Hans-Gerd Löhmannsröben am Institut für Physikalische und Theoretische Chemie demonstriert die Leistungsfähigkeit von Photochemie und Laserspektroskopie in der Umweltanalytik, der Medizin und der Biotechnologie anhand von vier Anwendungsbeispielen. Der Lehrstuhl für Botanik von Prof. Dr. Donat-P. Häder ist mit Systemen für automatisierte Toxizitätsmessungen in Gewässern und für die kontinuierliche Messung von Sonnenstrahlung vertreten.

Lasermeßtechnik für Braukunst und Umweltschutz
Die Hochschularbeitsgruppe von Prof. Löhmannsröben arbeitet zusammen mit der Erlanger Privatbrauerei Kitzmann Bräu KG an einem interdisziplinären Projekt zur Bieranalytik. Ziel des Projekts ist ein lasergestütztes faseroptisches Meßsystem, das die Intensität von absorbiertem Licht, Streulicht und Fluoreszenzstrahlung an verschiedenen Meßstellen im Brauprozeß registriert. Das erste Exponat am Messestand läßt anschaulich werden, wie der für Haltbarkeit und Geschmackstabilität entscheidende Sauerstoffgehalt des Biers in einer verschlossenen Flasche mit einem optischen Verfahren gemessen werden kann. Auch der Gärprozeß und die Klarheit des Bieres nach der Filtration können mit Hilfe des Systems überwacht werden.

Am Messestand von Bayern Innovativ zeigt das Institut als zweites Exponat ein miniaturisiertes Lasersystem (Diodenlaser in äußerem Resonator, External Cavity Laser), das für die Gasanalyse, aber auch für die optische in-situ Analytik von nichtstreuenden flüssigen Medien in biotechnologischen und medizinischen Prozessen von Nutzen ist. Kompakte halbleiterbasierte Lasersysteme wie das Exponat der Firma Sacher Lasertechnik (Marburg) setzt das Forscherteam aber auch zur Untersuchung industrieller Prozesse ein, z.B. zur Überwachung der Polymerschäumung.

Ein weiterer, traditioneller Schwerpunkt der Arbeitsgruppe Löhmannsröben ist die Umweltmeßtechnik. Durch Einsatz von Sensoren, künstlichen "Sinnesorganen", soll Umweltschutz noch stärker in industrielle Prozesse integriert werden. Für Messungen von leichtflüchtigen Verbindungen wie halogenierten Kohlenwasserstoffen bis hin zu schwerflüchtigen Verbindungen wie polycyclischen aromatischen Verbindungen reicht das Einsatzgebiet der lasergestützten Ionenmobilitätsspektrometrie (LIMS), die durch ein drittes Exponat auf der Messe anschaulich gemacht wird. LIMS ist auch für Anwendungen der Prozeßmeßtechnik geeignet, z.B. für Abgasmessungen. Bei LIMS kommt dem Lasersystem eine zweifache Bedeutung zu. Mittels Lichtblitzen wird der Analyt in einem ersten Schritt möglichst selektiv verdampft und in einem zweiten Schritt gezielt ionisiert. Die Ionen wandern in einem elektrischen Feld durch ein ihnen entgegenstömendes Gas, was zu charakteristischen Wanderungszeiten unter Auftrennung von Stoffgemischen führt.

Die Meßgerätereihe "Optimos", die zum probenahmefreien Nachweis von Mineralöl in Böden zusammen mit der Optimare GmbH (Wilhelmshaven) entwickelt wurde, wird auf der Analytica 2000 von Optimare bereits auf einem eigenen Messestand präsentiert (Halle B5, Stand 519). Optimos basiert auf dem Meßprinzip der laserinduzierten Fluoreszenz (LIF)-Spektroskopie und auf der Fähigkeit vieler Mineral- und Bioöle zur Fluoreszenz.


ECOTOX und ELDONET:
Kontrolle von Schadstoffen und Sonnenstrahlung
Das automatisierte biologische Testsystem ECOTOX 3.0 des Lehrstuhls für Bota-nik I setzt den einzelligen grünen Flagellaten Euglena gracilis als Testorganismus ein. Das Prinzip ist einfach: Aus einem Vorratsbehälter wird eine Zellsuspension in eine kleine Küvette gepumpt, die an einem miniaturisierten Mikroskop montiert ist. Mit einer Videokamera wird mit Hilfe einer Bildverarbeitungskarte das Mikroskopbild auf einem Monitor dargestellt. Eine speziell entwickelte Software wertet dann die Beweglichkeit, das Orientierungsverhalten, die Geschwindigkeit und die Form der Kontrollzellen aus. Anschließend wird erneut eine Zellsuspension, diesmal aber zusammen mit der zu untersuchenden Wasserprobe, in die Küvette gepumpt und das Bewegungsverhalten der Zellen erneut berechnet. Sind Schadstoffe im Probewasser vorhanden, so können diese einen oder mehrere Bewegungsparameter verschlechtern. Diese Hemmung wird graphisch dargestellt und alle Ergebnisse in einer Datei gespeichert. Übersteigt die Hemmung einen definierten Schwellenwert, so wird ein Alarm ausgelöst. Zur kontinuierlichen Gewässerüberwachung kann das Gerät auch in beliebigen Zeitabständen automatisch Gewässerproben ziehen, eine Messung durchführen und die Ergebnisse abspeichern.

Neben Wasser- und Abwasserproben lassen sich auch Messungen mit bekannten Substanzen - wie Schadstoffen, Hemmstoffen u. a. - durchführen und deren Einfluß auf die errechneten Bewegungs- und Formparameter bestimmen. Durch automatische Verdünnung der eingesetzten Substanzen können Dosis-Effekt Kurven berechnet und dargestellt werden. Das kompakte, vollautomatisierte System ermöglicht eine sehr schnelle und kostengünstige Analyse der Toxizität z.B. von Abwässern oder Deponiesickerwässern.

Das ELDONET-Gerät (European Light Dosimeter Network) wurde zur kontinuierlichen Messung solarer Strahlung entwickelt. Durch die Kombination von drei Silizium-Photodioden mit speziell angefertigten Filtern erfaßt das Instrument parallel folgende Strahlungsbereiche: UV-B (280-315 nm), UV-A (315-400nm) und den Bereich photosynthetisch aktiver Strahlung (400-700 nm). Durch sorgfältige Kalibrierungsmethoden ist die Abweichung der erhaltenen Meßwerte gegenüber denen eines kalibrierten Spektroradiometers sehr gering. Mittels einer einfach zu bedienenden Software werden die Daten automatisch in ASCII-Format eingelesen und gespeichert. Die Meßwerte werden sowohl graphisch als auch numerisch dargestellt. Außerdem berechnet das Programm die stündliche, tägliche, monatliche und jährliche Bestrahlungsdosis.

Niedrige Anschaffungs- und Betriebskosten und die hohe Zuverlässigkeit der Geräte führten dazu, daß zur Zeit ein europäisches ELDONET-Netzwerk aufgebaut wird, das mittlerweile bereits 31 Meßgeräte umfaßt. Einige Meßstellen liegen unter Wasser; für andere wurden Gebirgsstandorte, z. B. auf der Zugspitze, gewählt. Weitere Stationen stehen in Argentinien, Japan, Indien und Neuseeland. Die Daten aller ELDONET Dosimeter werden zu einem zentralen Server in Pisa (Italien) übertragen, von wo aus jeder Internetnutzer sie kostenlos herunterladen kann. Inzwischen ist auch - voraussichtlich ab dem Jahr 2002 - der Einsatz eines modifizierte ELDONET Dosimeters auf der neuen Internationalen Raumstation vorgesehen.

* Weitere Informationen:

Prof. Dr. Hans-Gerd Löhmannsröben, Dr. Matthias Lemke

Institut für Physikalische und Theoretische Chemie
Egerlandstraße 3, 91058 Erlangen
Tel.: 09131/85 -27307, -27317, Fax: 09131/85 -28796
E-Mail: loeh@pctc.chemie.uni-erlangen.de
matthias.lemke@chemie.uni-erlangen.de

Prof. Dr. Donat-P. Häder, Dr. Michael Lebert, Peter Richter
Institut für Botanik und pharmazeutische Biologie, Lehrstuhl für Botanik I
Staudtstraße 5, 91058 Erlangen
Tel.: 09131/85 -28220, Fax: 09131/85 -28215
E-Mail: prichter@biologie.uni-erlangen.de
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