Metaalvrije onderzoeksomgeving

Het nieuwe speciale laboratorium van het ICBM aan de Universiteit Oldenburg maakt sporenelementanalyses van zeewater- en sedimentmonsters mogelijk.

De vijf werkplekken zijn volledig vrij van metaal en bieden stofvrijheid op het niveau van klasse 4 en 5 volgens DIN EN ISO 14644.

Via geïntegreerde touch-displays wordt de ventilatie- en toevoertechniek op de werkplekken individueel geregeld.

Er werd grotendeels afgezien van het kleuren van kunststoffen; de oxiden die in de kleuren aanwezig zijn, zouden de lucht in de ruimte kunnen vervuilen.

Voor de monstersvoorbereiding voor de sporenelementanalyse van zeewater- en sedimentmonsters beschikken de wetenschappers aan de Universiteit Oldenburg sinds 2015 over een volledig metaalvrij specialiekamer met cleanroomcondities. Daar kunnen nu uiterst gevoelige monsters worden voorbereid voor de analyse van sporenelementconcentraties en -isotopen, waarmee dieptestromen in de oceanen en hun historische ontwikkeling kunnen worden gevolgd.

De stromingspatronen in de wereldzeeën spelen een cruciale rol in het klimaatsysteem van de aarde; maar de maritieme fysische en chemische processen en hun integratie in het klimaat zijn voor een groot deel nog onbekend. De wetenschappers van de Max-Planck-onderzoeksgroep Marine Isotopengeochemie aan de Universiteit Oldenburg volgen daarom de sporen van zeewater. Ze onderzoeken daarvoor radio-isotopen van strontium en neodymium in het water en in fossiele mariene sedimenten. Onder sedimenten verstaan de onderzoekers alles wat in de zee naar de bodem zinkt en zich daar afzet – van organische deeltjes tot gesteentestof dat door wind van de continenten wordt ingebracht.

Aangezien de samenstelling van deze isotopen sterk verschilt in de verschillende regio's van de oceanen, kan de onderzoeksgroep met behulp daarvan de herkomst van watermassa's en stof volgen en ontcijferen. De monsters worden verzameld vanaf schepen van Duitse en internationale onderzoeksinstituten tot op een diepte van 6.000 meter. Terwijl de sporenelementen in zeewater inzicht geven in processen en waterverdelingen in de huidige oceaan, bieden de sedimenten inzicht in de aardse ontwikkeling van de watercirculatie en de samenhang met wereldwijde klimaatschommelingen.

Reinraumcondities beschermen monsters

De uitdaging hierbij: de concentratie van de isotopen in de monsters is extreem laag – alsof men een druppel verf mengt in meerdere olympische zwembaden. De kleinste verontreiniging door microscopische stofdeeltjes van gesteente of corroderende metalen zou de onderzoeksresultaten fundamenteel vertekenen, omdat deze de geanalyseerde sporenelementen in veel hogere concentraties bevatten. Sinds 2015 beschikt het Instituut voor Scheikunde en Mariene Biologie (ICBM) van de Universiteit Oldenburg daarom over een speciaal laboratorium met werkplekken waar stofvrijheid tot klasse 4 volgens DIN EN ISO 14644 wordt gehandhaafd en dat tegelijkertijd volledig vrij is van metalen.

Deze speciale ruimte onderscheidt zich daarmee aanzienlijk van conventionele laboratoria en cleanrooms, waar veel oppervlakken van roestvrij staal zijn gemaakt. "De dampen van de sterk geconcentreerde zuren die we gebruiken om monsters van sedimentgesteente voor analyse voor te bereiden, zouden elk metaal aantasten," legt Dr. Katharina Pahnke-May, leider van de onderzoeksgroep Marine Isotopengeochemie, uit. "Kleinste metaaldeeltjes zouden in de lucht terechtkomen en onze monsters onbruikbaar maken."

Dit vereist een veel uitgebreidere planning dan bij andere cleanrooms die gericht zijn op de hoogste partikelfrequentie of kiemvrijheid. "Naast de hoge eisen die de sporenelementanalyse aan de partikelaantallen in de ruimte stelt, was ook het gelijktijdig naleven van de bijbehorende laboratoriumrichtlijnen en veiligheidsvoorschriften een uitdaging," zegt Dipl.-Ing. Thomas Lischke, die bij het advies- en planbureau Carpus+Partner verantwoordelijk was voor de planning en begeleiding van de realisatie van het project. "De eisen vereisen soms dat bepaalde relevante elementen in metaal worden uitgevoerd. En deze tegenstelling moest in overeenstemming worden gebracht."

Laboratoriumsysteem van kunststof

Voor de realisatie van het concept werkte men vanaf het begin nauw samen met MK Versuchsanlagen – een van de weinige ontwerpers en fabrikanten van kunststof laboratoriumsystemen voor cleanroomcondities. Op basis van de taak- en procesgerichte laboratoriumplanning werd de ruimte ontworpen en gebouwd, inclusief de individuele inrichting van vijf werkplekken, met inbegrip van de ventilatietechnische voorziening, integratie van verlichting en levering van speciale media zoals volledig ontzilt water.

Als materialen voor de werkbladen, onderstellen, tussenwanden, binnenwanden en leidingen werden uitsluitend zuurvast kunststof zoals polypropyleen, Teflon, PMMA of PE gebruikt. Er werd bewust afgezien van kleuring om contaminatie van de lucht door de daarbij gebruikte oxiden te voorkomen. De platen van de afgesloten werkplekken bestaan uit hoogsterk, doorzichtig polyethyleen. Eveneens zijn alle scharnieren en andere deur- en meubelonderdelen van kunststof gemaakt.

Carpus+Partner heeft het laboratorium geïntegreerd als een ruimte-in-ruimte, inclusief de toegangs- en techniekkamer, in een voormalig seminarieruimte op de begane grond van het universiteitsgebouw. De totale oppervlakte bedraagt 55 vierkante meter. De luchtkwaliteit in de ruimte zelf komt overeen met klasse 6 volgens DIN EN ISO 14644, terwijl de partikelfrequentie op de werkplekken ligt op het niveau van klasse 4 of 5. Sensoren bewaken continu alle meet- en regelsystemen. Horizontale laminaire stromingen voorkomen permanent, volgens het verdringingsprincipe, contaminatie van de gevoelige gebieden. Inlaat en afzuiging gebeuren telkens via de zijkanten van gaas, waarvan de structuur een gerichte stroming creëert. "Natuurlijk zijn ook alle toevoerleidingen inclusief de filterelementen en alle andere elementen voor luchtbehandeling volledig uitgevoerd als kunststof speciale onderdelen," benadrukt Lischke de bijzonderheden.

Speciale ontwikkelingen voor onderzoek

Een verdere speciale ontwikkeling zijn de zogenaamde Flaps; luchtgeleidingselementen die op de werkplekken met twee boven elkaar gelegen verdiepingen de laminaire stroming horizontaal waarborgen. Ze waren noodzakelijk omdat daar verwarmingsplaten worden gebruikt om zeewatermonsters bij 80 tot 200 °C, vaak gedurende vele uren, te concentreren. De warmtewerking van de verwarmingsplaten leidt tot ongewenste, turbulente luchtstromingen die de laminaire luchtstroom onbedoeld verstoren en het risico op kruiscontaminatie van de monsters verhogen. Met de Flaps wordt de lucht zodanig geleid dat dit niet gebeurt.

De verwarmingsplaten zelf zijn een eigen ontwikkeling van het Hessische bedrijf en worden daar al 20 jaar vervaardigd en verder ontwikkeld; de aluminiumkern garandeert een absolute homogene warmteverdeling over het gehele oppervlak. De volledige omhulling met temperatuurbestendig PTFE zorgt ervoor dat geen metaaldeeltjes in de omgeving worden afgegeven.

De nieuwe ruimte betekent voor de leden van de onderzoeksgroep onder leiding van Dr. Pahnke-May een belangrijke verbetering van hun werkomstandigheden. De onderzoeken werden tot nu toe uitgevoerd in andere laboratoriumruimtes van de universiteit, waar slechts één werkplek met een mobiele afzuiginrichting beschikbaar was. Partikelfrequentie kon daar niet permanent worden gegarandeerd. Nu kunnen de wetenschappers onder optimale omstandigheden aan vijf werkplekken, elk specifiek ingericht voor de taak, onderzoek doen. Zo zijn ook analyses van sporenelementen die bijzonder gevoelig zijn voor contaminatie mogelijk. "De hoeveelheid ijzer of lood in zeewater is bijvoorbeeld extreem laag. In metalen oxiden of gesteente daarentegen zeer hoog; ze zijn dus altijd in de normale omgeving lucht aanwezig," legt Pahnke-May uit. "Tot de bouw van de nieuwe ruimte was de analyse van dergelijke isotopen onmogelijk."