Prostředí bez kovů pro výzkum

Nové speciální laboratoř ICBM na Univerzitě Oldenburg umožňuje analýzy stopových prvků v mořské vodě a sedimentárních vzorcích.

Pěti pracovní místa jsou zcela bez kovů a nabízejí bezprašnost na úrovni tříd 4 a 5 podle DIN EN ISO 14644.

Integrované dotykové displeje umožňují individuální řízení větrání a techniky zásobování na pracovištích.

Většinou se upustilo od barvení plastů; oxidy obsažené v barvách by mohly kontaminovat vzduch v místnosti.

Pro vědecké přípravy vzorků na analýzu stopových prvků mořské vody a sedimentů mají od roku 2015 vědci na Univerzitě Oldenburg k dispozici zcela bez kovů speciální prostor s čistým prostředím. Tam nyní mohou být připravovány vysoce citlivé vzorky pro analýzu koncentrací a izotopů stopových prvků, které umožňují sledovat hluboké proudění v oceánech a jejich historický vývoj.

Vzorové vzory v oceánech hrají klíčovou roli v klimatickém systému Země; avšak fyzikální a chemické procesy v moři a jejich začlenění do klimatických jevů jsou stále do značné míry neznámé. Vědci z výzkumné skupiny Max-Planck-Institutu pro mořskou izotopovou geochemii na Univerzitě Oldenburg proto sledují stopy mořské vody. Zkoumají radiogenní izotopy stroncia a neodymu ve vodě a v fosilních mořských sedimentech. Sedimenty označují vědci vše, co klesá na dno moře a tam se ukládá – od organických částic po prach z hornin přenesený větrem z kontinentů.

Protože složení těchto izotopů v různých regionech oceánů se výrazně liší, může výzkumná skupina pomocí nich sledovat původ vodních hmot a prachu a jejich původ. Vzorky jsou získávány z paluby německých i mezinárodních výzkumných lodí až do hloubky 6 000 metrů pod hladinou. Zatímco stopové prvky v mořské vodě poskytují informace o procesech a rozložení vodních hmot v dnešním oceánu, sedimenty umožňují nahlédnout do geologického vývoje oceánské cirkulace a jejího vztahu ke globálním klimatickým výkyvům.

Čisté prostředí chrání vzorky

Výzvou je: koncentrace izotopů ve vzorcích je extrémně nízká – jako byste rozmíchali kapku barvy v několika olympijských bazénech. Nejmenší znečištění mikroskopickými částicemi prachu z hornin nebo korodujících kovů by zásadně zkreslilo výsledky výzkumu, neboť tyto obsahují analyzované stopové prvky v mnohonásobně vyšších koncentracích. Od roku 2015 má Institut pro chemii a biologii moře (ICBM) na Univerzitě Oldenburg speciální laboratoř s pracovišti, kde je čistota částic podle třídy čistoty 4 dle DIN EN ISO 14644 a zároveň je zcela bez kovů.

Tento speciální prostor se výrazně liší od běžných laboratoří a čistých prostor, kde je mnoho povrchů z nerezové oceli. „Už samotné výpary z vysoce koncentrovaných kyselin, které používáme k přípravě sedimentárních vzorků pro analýzu, by každý kov napadly,“ vysvětluje Dr. Katharina Pahnke-May, vedoucí výzkumné skupiny Marine Isotopengeochemie. „Nejmenší kovové částice by se dostaly do ovzduší a mohly by naše vzorky znehodnotit.“

To vyžaduje podstatně důkladnější plánování než u jiných prostor zaměřených na maximální čistotu částic nebo mikroorganismů. „Kromě vysokých nároků na koncentraci částic v prostoru, které klade analýza stopových prvků, byla také výzvou současná dodržování příslušných laboratorních předpisů a bezpečnostních pravidel,“ říká Dipl.-Ing. Thomas Lischke, který byl zodpovědný za plánování a dohled nad realizací projektu ve společnosti Carpus+Partner. „Požadavky někdy vyžadují provedení určitých relevantních prvků z kovu. A bylo třeba najít kompromis.“

Laboratorní systém z plastu

Pro realizaci konceptu spolu od začátku úzce spolupracovali s firmou MK Versuchsanlagen – jedním z mála výrobců a konstruktorů plastových laboratorních systémů pro čisté prostory. Na základě úkolově a procesně orientovaného plánování laboratoře navrhli a vyrobili prostor a individuální vybavení pěti pracovních stanic, včetně ventilační techniky, integrace osvětlení a zásobování speciálními médii, jako je úplně deionizovaná voda.

Jako materiály pro pracovní plochy, podstavce, příčky, vnitřní stěny nebo potrubí byly použity výhradně kyselinám odolné plasty, jako polypropylen, Teflon, PMMA nebo PE. Záměrně se upustilo od zbarvení, aby se zabránilo kontaminaci ovzduší oxidy používanými při výrobě. Skleněné desky uzavřených pracovních stanic jsou vyrobeny z vysoce pevného, průhledného polyethylenu. Stejně tak všechny panty a další dveřní či nábytkové prvky jsou z plastu.

Carpus+Partner navrhl laboratoř jako „prostor v prostoru“ a začlenil vstupní zónu a technickou část do bývalé seminární místnosti v přízemí univerzitní budovy. Celková plocha činí 55 metrů čtverečních. Kvalita vzduchu v prostoru odpovídá třídě 6 dle DIN EN ISO 14644, na pracovních místech je čistota částic na úrovni tříd 4 nebo 5. Senzory nepřetržitě monitorují všechny měřicí a regulační systémy. Horizontální laminární proudění zabraňuje kontaminaci citlivých oblastí podle principu vytlačování. Přívod a odsávání vzduchu probíhají vždy přes boční stěny s mřížemi, jejichž struktura vytváří směrované proudění. „Samozřejmě jsou všechny přívody včetně filtračních elementů a dalších prvků pro úpravu vzduchu kompletně vyrobeny z plastu jako speciální díly,“ zdůrazňuje Lischke zvláštnosti.

Speciální vývojové prvky umožňující výzkum

Dalším speciálním prvkem jsou takzvané „flaps“; vzduchové prvky, které na pracovních stanicích s dvěma nad sebou umístěnými patry zajišťují horizontální laminární proudění. Byly nutné, protože se tam používají topné desky k soustředění mořských vzorků při teplotách 80 až 200 °C, často po mnoho hodin. Teplo z topných desek způsobuje neřízené, turbulentní proudění vzduchu, které narušuje laminární proudění a zvyšuje riziko křížové kontaminace vzorků. S flaps se vzduch vede tak, aby k tomu nedošlo.

Samotné topné desky jsou vlastním vývojem hesské firmy, která je vyrábí již 20 let a průběžně je vylepšuje; hliníkový jádro zajišťuje absolutně homogenní rozložení tepla po celé ploše. Kompletní obal z teplotně odolného PTFE zajišťuje, že se do okolního vzduchu neuvolňují žádné kovové částice.

Nový prostor představuje pro členy výzkumné skupiny kolem Dr. Pahnke-May významné zlepšení pracovních podmínek. Dříve byly výzkumy prováděny v jiných laboratořích univerzity, kde byl k dispozici pouze jeden pracovní stůl s přenosným odsavačem. Čistota částic tam nemohla být trvale zajištěna. Nyní mohou vědci pracovat na pěti pracovních stanicích s individuálním vybavením za nejlepších podmínek. To umožňuje i analýzy stopových prvků, které jsou zvláště náchylné ke kontaminaci. „Obsah železa nebo olova je například v mořské vodě extrémně nízký. V oxidech kovů nebo hornin je však velmi vysoký; jsou proto vždy přítomny ve vzduchu jako prach,“ vysvětluje Pahnke-May. „Do výstavby tohoto nového prostoru nebylo možné takové izotopy analyzovat.“