Environnement de recherche sans métaux

Le nouveau laboratoire spécialisé de l'ICBM à l'Université d'Oldenbourg permet des analyses d'éléments traces dans des échantillons d'eau de mer et de sédiments.

Les cinq postes de travail sont totalement exempts de métaux et offrent une liberté de particules au niveau des classes 4 et 5 conformément à la norme DIN EN ISO 14644.

Les systèmes de ventilation et d'alimentation sont contrôlés individuellement via des écrans tactiles intégrés.

On a largely renoncé à la coloration des plastiques ; les oxydes contenus dans les couleurs pourraient contaminer l'air ambiant.

Depuis 2015, les scientifiques de l'Université d'Oldenbourg disposent d'une salle spécialisée entièrement exempte de métaux avec des conditions de salle blanche pour la préparation d'échantillons destinés à l'analyse des traces d'éléments et isotopes. Là, ils peuvent désormais préparer des échantillons extrêmement sensibles pour l'analyse des concentrations et isotopes des traces, permettant de suivre les flux profonds dans les océans et leur évolution historique.

Les modèles de circulation dans les océans jouent un rôle déterminant dans le système climatique de la Terre ; cependant, les processus physiques et chimiques maritimes ainsi que leur intégration dans le climat restent en grande partie inconnus. Les chercheurs du groupe de recherche Max-Planck sur l'isotopique marine à l'Université d'Oldenbourg suivent donc les traces de l'eau de mer. Ils étudient à cette fin les isotopes radioactifs de strontium et de néodyme dans l'eau et dans les sédiments marins fossiles. Par sédiments, les chercheurs entendent tout ce qui coule au fond de la mer et s'y dépose – des particules organiques jusqu'à la poussière de roche transportée par le vent depuis les continents.

Étant donné que la composition de ces isotopes varie fortement selon les régions des océans, le groupe de recherche peut, grâce à eux, retracer l'origine des masses d'eau et de poussière. Les échantillons sont prélevés à bord de navires de recherche allemands et internationaux jusqu'à 6 000 mètres de profondeur. Alors que les éléments traces dans l'eau de mer renseignent sur les processus et la distribution des masses d'eau dans l'océan actuel, les sédiments offrent un aperçu de l'évolution géologique de la circulation des eaux et de leur lien avec les fluctuations climatiques mondiales.

Les conditions de salle blanche protègent les échantillons

Le défi : la concentration de ces isotopes dans les échantillons est extrêmement faible – comme si l'on mélangeait une goutte de couleur dans plusieurs bassins olympiques. La moindre contamination par des particules microscopiques de poussière de roche ou de métaux en corrosion fausserait fondamentalement les résultats de la recherche, car celles-ci contiennent les éléments traces analysés à des concentrations plusieurs fois plus élevées. Depuis 2015, l'Institut de chimie et biologie marine (ICBM) de l'Université d'Oldenbourg dispose donc d'un laboratoire spécialisé avec des postes de travail où la pureté particulaire atteint la classe 4 selon la norme DIN EN ISO 14644, tout en étant totalement exempt de métaux.

Ce laboratoire se distingue nettement des laboratoires et salles blanches classiques, où de nombreuses surfaces sont en acier inoxydable. « Même les vapeurs des acides hautement concentrés que nous utilisons pour préparer les échantillons de roches sédimentaires pour l'analyse attaqueraient tout métal », explique le Dr Katharina Pahnke-May, responsable du groupe de recherche en isotopique marine. « Les plus petites particules métalliques pourraient atteindre l'air ambiant et rendre nos échantillons inutilisables. »

Ce qui nécessite une planification beaucoup plus complète qu'avec d'autres salles blanches conçues pour une pureté maximale en particules ou micro-organismes. « Outre les exigences élevées concernant la concentration de particules dans la pièce, respecter simultanément les directives de laboratoire et les règles de sécurité était également un défi », indique Dipl.-Ing. Thomas Lischke, responsable de la planification et de la supervision du projet chez Carpus+Partner, société de conseil et de planification. « Les prescriptions exigent parfois la fabrication de certains éléments en métal. Il fallait donc concilier ces exigences contradictoires. »

Système de laboratoire en plastique

Pour réaliser ce concept, une collaboration étroite a été établie dès le départ avec la société MK Versuchsanlagen – l’un des rares concepteurs et fabricants de systèmes de laboratoire en plastique pour des conditions de salle blanche. Sur la base d’une planification de laboratoire orientée vers les tâches et processus, le laboratoire a été conçu et construit, avec l’équipement individuel de cinq postes de travail, y compris la ventilation, l’intégration de l’éclairage et l’alimentation en médias spéciaux comme l’eau ultrapure déionisée.

Les matériaux utilisés pour les surfaces de travail, les sous-structures, les plafonds intermédiaires, les murs intérieurs ou la tuyauterie sont exclusivement des plastiques résistants aux acides tels que le polypropylène, le Teflon, le PMMA ou le PE. La coloration a été délibérément évitée pour éviter toute contamination de l’air par les oxydes utilisés. Les vitres des postes de travail fermés sont en polyéthylène très résistant et transparent. De même, toutes les charnières et autres éléments de portes et meubles sont en plastique.

Carpus+Partner a intégré le laboratoire en tant qu’espace dans un espace, ainsi que la zone d’entrée et la zone technique dans une ancienne salle de séminaire au rez-de-chaussée du bâtiment universitaire. La surface totale est de 55 mètres carrés. La qualité de l’air dans la pièce elle-même est conforme à la classe 6 selon la norme DIN EN ISO 14644, tandis que la pureté particulaire aux postes de travail atteint le niveau des classes 4 ou 5. Des capteurs surveillent en permanence tous les systèmes de mesure et de régulation. Des flux laminaire horizontaux empêchent durablement la contamination des zones sensibles selon le principe de displacement. L’arrivée d’air et l’évacuation se font par les côtés à travers un voile en gaze, dont la structure génère un flux dirigé. « Bien entendu, toutes les conduites d’alimentation, y compris les éléments filtrants, ainsi que tous les autres éléments de traitement de l’air sont entièrement fabriqués en plastique en tant que pièces spéciales », souligne Lischke, mettant en avant les particularités.

Développements spéciaux pour la recherche

Une autre innovation est constituée par les « Flaps » ; des éléments de guidage de l’air situés à chaque poste de travail, disposés en deux étages superposés, qui assurent le flux laminaire horizontal. Ils ont été nécessaires car des plaques chauffantes sont utilisées pour concentrer des échantillons d’eau de mer à 80-200 °C, souvent pendant plusieurs heures. La chaleur des plaques chauffantes génère des flux d’air turbulents et non dirigés, qui perturbent le flux laminaire et augmentent le risque de contamination croisée des échantillons. Avec les Flaps, l’air est dirigé de manière à éviter cela.

Les plaques chauffantes sont une innovation propre de l’entreprise hessoise, fabriquée et améliorée depuis 20 ans ; leur noyau en aluminium garantit une distribution thermique parfaitement homogène sur toute la surface. Leur revêtement complet en PTFE résistant à la température empêche toute émission de particules métalliques dans l’air ambiant.

Ce nouveau laboratoire constitue une amélioration significative pour les membres du groupe de recherche autour du Dr Pahnke-May. Jusqu’à présent, les analyses étaient effectuées dans d’autres laboratoires universitaires, où un seul poste avec une hotte mobile était disponible. La pureté particulaire n’y était pas assurée de façon durable. Désormais, les chercheurs peuvent travailler dans cinq postes équipés spécifiquement pour leurs tâches, dans des conditions optimales. Cela permet également d’analyser des éléments traces particulièrement sensibles à la contamination, comme le fer ou le plomb, dont la concentration dans l’eau de mer est extrêmement faible. En revanche, dans les oxydes métalliques ou la roche, leur teneur est très élevée, ce qui explique leur présence dans la poussière de l’air ambiant. « Jusqu’à la construction de cette nouvelle salle, il était impossible d’analyser de tels isotopes », explique Pahnke-May.