Ambiente di ricerca senza metalli

Il nuovo laboratorio speciale dell'ICBM all'Università di Oldenburg consente analisi di tracce di campioni di acqua marina e sedimenti.

I cinque posti di lavoro sono completamente privi di metallo e offrono libertà da particelle al livello delle classi 4 e 5 secondo DIN EN ISO 14644.

Attraverso display touch integrati, la tecnologia di ventilazione e alimentazione viene controllata individualmente alle postazioni di lavoro.

È stato ampiamente evitato l'uso di coloranti per le plastiche; gli ossidi presenti nei colori potrebbero contaminare l'aria ambiente.

Per la preparazione dei campioni per l'analisi degli elementi traccia di acqua di mare e sedimenti, gli scienziati dell'Università di Oldenburg dispongono dal 2015 di una stanza speciale completamente priva di metalli, con condizioni di ambiente sterile. Lì ora è possibile preparare campioni altamente sensibili per l'analisi delle concentrazioni e degli isotopi di elementi traccia, che consentono di tracciare i flussi di profondità negli oceani e il loro sviluppo storico.

I modelli di circolazione negli oceani mondiali svolgono un ruolo decisivo nel sistema climatico della Terra; tuttavia, i processi fisici e chimici marini, così come la loro integrazione nel quadro climatico, sono ancora in gran parte sconosciuti. Per questo motivo, gli scienziati del gruppo di ricerca Max-Planck sulla geochimica isotopica marina dell'Università di Oldenburg si dedicano a seguire le tracce dell'acqua di mare. Esaminano isotopi radioattivi di stronzio e neodimio nell'acqua e nei sedimenti marini fossili. Per sedimenti si intendono tutto ciò che affonda sul fondo del mare e si deposita lì – da particelle organiche a polvere di roccia trasportata dal vento dai continenti.

Poiché la composizione di questi isotopi varia notevolmente tra le diverse regioni degli oceani, il gruppo di ricerca può tracciare e decifrare l'origine delle masse d'acqua e della polvere grazie a queste analisi. I campioni vengono prelevati a bordo di navi di ricerca tedesche e internazionali fino a 6.000 metri di profondità. Mentre gli elementi traccia nell'acqua di mare forniscono informazioni sui processi e sulla distribuzione delle masse d'acqua nell'oceano odierno, i sedimenti permettono di comprendere lo sviluppo storico della circolazione delle acque e il suo rapporto con le fluttuazioni climatiche globali.

Le condizioni di ambiente sterile proteggono i campioni

La sfida consiste nel fatto che la concentrazione di questi isotopi nei campioni è estremamente bassa – come se si mescolasse una goccia di colore in diverse piscine di dimensioni olimpioniche. La più piccola contaminazione da particelle microscopiche di polvere di roccia o metalli in corrosione altererebbe radicalmente i risultati della ricerca, poiché queste contengono gli elementi traccia analizzati a concentrazioni molteplici più alte. Dal 2015, l'Istituto di Chimica e Biologia del Mare (ICBM) dell'Università di Oldenburg dispone di un laboratorio speciale con postazioni di lavoro in cui si garantisce una purezza delle particelle fino alla classe di ambiente sterile 4 secondo DIN EN ISO 14644, e che è anche completamente privo di qualsiasi metallo.

Questo ambiente speciale si differenzia sostanzialmente dai laboratori e ambienti sterili tradizionali, dove molte superfici sono in acciaio inossidabile. «Già le vapori di acidi altamente concentrati, che utilizziamo per preparare i campioni di rocce sedimentarie per l'analisi, attaccano qualsiasi metallo», spiega la dottoressa Katharina Pahnke-May, responsabile del gruppo di ricerca sulla geochimica isotopica marina. «Le più piccole particelle di metallo potrebbero entrare nell'aria e rendere inutilizzabili i nostri campioni.»

Ciò richiede una pianificazione molto più completa rispetto ad altri ambienti sterili orientati alla massima purezza di particelle o microrganismi. «Oltre alle elevate esigenze che l'analisi degli elementi traccia impone sulla concentrazione di particelle nell'ambiente, anche il rispetto simultaneo delle normative di laboratorio e delle norme di sicurezza sul lavoro rappresentava una sfida», afferma l'ingegnere diplomato Thomas Lischke, responsabile della pianificazione e supervisione del progetto presso l'azienda di consulenza e pianificazione Carpus+Partner. «Le direttive richiedono talvolta l'uso di alcuni elementi rilevanti in metallo. E dovevamo trovare un equilibrio tra questa esigenza e le altre richieste.»

Sistema di laboratorio in plastica

Per realizzare il concetto, si è collaborato fin dall'inizio con l'azienda MK Versuchsanlagen – uno dei pochi progettisti e produttori di sistemi di laboratorio in plastica per ambienti sterili. Basandosi sulla pianificazione laboratoristica orientata alle funzioni e ai processi, si è progettato e realizzato lo spazio e l'equipaggiamento individuale di cinque postazioni di lavoro, inclusa la fornitura di ventilazione, integrazione dell'illuminazione e approvvigionamento di mezzi speciali come acqua deionizzata pura.

Come materiali per le superfici di lavoro, le strutture di supporto, i controsoffitti, le pareti interne o le tubazioni sono stati scelti esclusivamente plastiche resistenti agli acidi come polipropilene, Teflon, PMMA o PE. È stata evitata intenzionalmente la colorazione per prevenire contaminazioni dell'aria da ossidi utilizzati durante le operazioni. Le lastre delle postazioni di lavoro chiuse sono in polietilene trasparente e resistente. Allo stesso modo, tutte le cerniere e altri elementi di porte e mobili sono in plastica.

Carpus+Partner ha integrato il laboratorio come spazio interno in un ambiente più grande, così come la cabina di ingresso e l'area tecnica in una ex aula al piano terra dell'edificio universitario. La superficie totale è di 55 metri quadrati. La qualità dell'aria all'interno del locale corrisponde alla classe 6 secondo DIN EN ISO 14644, mentre alle postazioni di lavoro la purezza delle particelle raggiunge i livelli delle classi 4 o 5. Sensori monitorano costantemente tutti i sistemi di misurazione e regolazione. I flussi laminari orizzontali evitano costantemente la contaminazione delle aree sensibili secondo il principio di displacement. L'ingresso e l'estrazione dell'aria avvengono attraverso i lati in rete, la cui struttura genera un flusso diretto. «Naturalmente, anche tutte le tubazioni di alimentazione, inclusi i filtri e gli altri elementi di trattamento dell'aria, sono completamente realizzate in plastica come componenti speciali», sottolinea Lischke, evidenziando le caratteristiche particolari.

Soluzioni personalizzate per la ricerca

Un'altra innovazione sono i cosiddetti flap; elementi di condizionamento dell'aria che, posizionati alle postazioni di lavoro con due piani sovrapposti, garantiscono il flusso laminare orizzontale. Sono stati necessari perché in quelle zone si utilizzano piastre riscaldanti per concentrare campioni di acqua di mare a 80-200 °C, spesso per molte ore. Il calore delle piastre riscaldanti genera flussi d'aria turbolenti e non direzionati, che disturbano il flusso laminare e aumentano il rischio di contaminazione incrociata dei campioni. Con i flap, l'aria viene condotta in modo che ciò non accada.

Le piastre riscaldanti sono un'innovazione propria dell'azienda tedesca, che le produce e sviluppa da 20 anni; il nucleo in alluminio garantisce una distribuzione del calore assolutamente omogenea su tutta la superficie. La loro copertura completa in PTFE resistente alle temperature assicura che non vengano rilasciati particelle di metallo nell'aria circostante.

Il nuovo ambiente rappresenta un miglioramento sostanziale per le condizioni di lavoro del gruppo di ricerca di Dr. Pahnke-May. Finora le analisi sono state condotte in altri laboratori dell'università, dove era disponibile un solo posto di lavoro con un'estrazione mobile. La purezza delle particelle non poteva essere garantita in modo permanente. Ora, i ricercatori possono lavorare in cinque postazioni specificamente attrezzate, con condizioni ottimali. In questo modo, è possibile anche analizzare elementi traccia particolarmente suscettibili a contaminazioni, come ferro o piombo, che sono estremamente rari nell'acqua di mare ma molto più presenti in ossidi metallici o rocce, e sono sempre presenti nell'aria normale come polvere», spiega Pahnke-May. «Fino alla realizzazione di questo nuovo ambiente, l'analisi di tali isotopi era impossibile.»