Środowisko badawcze bez metali

Nowe laboratorium specjalistyczne ICBM na Uniwersytecie Oldenburga umożliwia analizę śladowych pierwiastków w próbkach wody morskiej i osadów.

Pięć stanowisk pracy jest całkowicie wolnych od metali i zapewnia czystość cząsteczkową na poziomie klas 4 i 5 zgodnie z normą DIN EN ISO 14644.

Za pomocą zintegrowanych wyświetlaczy dotykowych technika wentylacyjna i zaopatrzeniowa jest indywidualnie sterowana w miejscach pracy.

Zrezygnowano w dużym stopniu z barwienia tworzyw sztucznych; tlenki zawarte w kolorach mogłyby zanieczyścić powietrze w pomieszczeniu.

Od 2015 roku naukowcy na Uniwersytecie Oldenburg dysponują w pełni metalowoodporną specjalistyczną izbą z warunkami czystego pomieszczenia, przeznaczoną do przygotowania próbek do analizy pierwiastków śladowych w próbkach wody morskiej i osadów. Tam mogą teraz przygotowywać wysoce czułe próbki do analizy stężeń i izotopów pierwiastków śladowych, które pozwalają na śledzenie głębokościowych przepływów oceanicznych i ich historycznego rozwoju.

Wzory przepływów w oceanach odgrywają kluczową rolę w systemie klimatycznym Ziemi; jednak fizyczne i chemiczne procesy morskie oraz ich powiązania z wydarzeniami klimatycznymi są w dużej mierze jeszcze nieznane. Naukowcy z grupy badawczej Max-Planck-Institut für Marine Isotopengeochemie na Uniwersytecie Oldenburg podążają śladami wód morskich. Badania obejmują izotopy promieniotwórcze strontu i neodymu w wodzie i osadach morskich. Osady to wszystko, co opada na dno morza i się tam osadza – od cząstek organicznych po pył skalny przyniesiony przez wiatr z lądów.

Ponieważ skład tych izotopów różni się znacznie w różnych regionach oceanów, grupa badawcza może śledzić i wyjaśniać pochodzenie mas wodnych i pyłu. Próbki pobierane są z pokładów niemieckich i międzynarodowych statków badawczych na głębokości do 6000 metrów. Podczas gdy pierwiastki śladowe w wodzie morskiej dostarczają informacji o procesach i rozkładzie mas wodnych w dzisiejszym oceanie, osady umożliwiają wgląd w geologiczną historię cyrkulacji wód i jej powiązania z globalnymi wahaniami klimatu.

Warunki czystego pomieszczenia chronią próbki

Wyzwanie polega na tym, że stężenie izotopów w próbkach jest ekstremalnie niskie – jakby mieszać kroplę farby w kilku basenach o rozmiarze olimpijskim. Najmniejsze zanieczyszczenie mikroskopijnymi cząstkami pyłu z skały lub korodujących metali mogłoby zasadniczo zafałszować wyniki badań, ponieważ zawierają one analizowane pierwiastki śladowe w wielokrotnie wyższych stężeniach. Od 2015 roku Instytut Chemii i Biologii Morza (ICBM) na Uniwersytecie Oldenburg dysponuje specjalistycznym laboratorium z miejscami pracy, w których panuje czystość do klasy 4 według DIN EN ISO 14644 i które są jednocześnie absolutnie wolne od wszelkich metali.

To specjalistyczne pomieszczenie różni się znacznie od tradycyjnych laboratoriów i izb czystego pomieszczenia, gdzie wiele powierzchni wykonanych jest ze stali nierdzewnej. „Już same odparowania wysokokoncentrowanych kwasów, które wykorzystujemy do przygotowania próbek skał osadowych do analizy, atakowałyby każdy metal”, wyjaśnia dr Katharina Pahnke-May, kierowniczka grupy badawczej Marine Isotopengeochemie. „Najdrobniejsze cząstki metalu dostałyby się do powietrza i mogłyby unieważnić nasze próbki.”

Wymaga to znacznie bardziej rozbudowanego planowania w porównaniu do innych izb czystych, które są ukierunkowane na maksymalną czystość cząstek lub mikroorganizmów. „Oprócz wysokich wymagań dotyczących analizy pierwiastków śladowych, konieczne było także jednoczesne przestrzeganie odpowiednich wytycznych laboratoryjnych i przepisów BHP”, mówi inż. Thomas Lischke, odpowiedzialny za planowanie i nadzór nad realizacją projektu w firmie konsultingowej Carpus+Partner. „Wymagania częściowo obejmowały wykonanie niektórych elementów z metalu. Trzeba było pogodzić te sprzeczności.”

Laboratorium z tworzywa sztucznego

Od początku realizacji koncepcji ściśle współpracowano z firmą MK Versuchsanlagen – jednym z nielicznych producentów i konstruktorów systemów laboratoryjnych z tworzywa sztucznego do warunków czystego pomieszczenia. Na podstawie planowania ukierunkowanego na zadania i procesy, zaprojektowano i wyprodukowano pomieszczenie oraz indywidualne wyposażenie pięciu stanowisk pracy, w tym systemy wentylacji, integrację oświetlenia i dostawę specjalnych mediów, takich jak w pełni zjonizowana woda demineralizowana.

Materiały użyte do powierzchni roboczych, podstaw, sufitów podwieszanych, ścian wewnętrznych i instalacji rurowych to wyłącznie odporne na kwasy tworzywa sztuczne, takie jak polipropylen, teflon, PMMA czy PE. Celowo zrezygnowano z barwienia, aby uniknąć zanieczyszczenia powietrza w pomieszczeniu przez użyte tlenki. Szyby zamkniętych stanowisk roboczych wykonane są z wysokowytrzymałego, przezroczystego polietylenowego szkła. Również wszystkie zawiasy i elementy drzwi oraz mebli są wykonane z tworzywa sztucznego.

Carpus+Partner zintegrował laboratorium jako pomieszczenie w pomieszczeniu, a także wejściową kabinę i strefę techniczną w byłej sali seminaryjnej na parterze budynku uniwersyteckiego. Całkowita powierzchnia wynosi 55 metrów kwadratowych. Jakość powietrza w samym pomieszczeniu odpowiada klasie 6 według DIN EN ISO 14644, a na stanowiskach pracy czystość cząstek jest na poziomie klas 4 lub 5. Czujniki stale monitorują wszystkie systemy pomiarowe i regulacyjne. Poziome laminarne przepływy powietrza zapobiegają trwałemu zanieczyszczaniu wrażliwych obszarów, korzystając z zasady wypierania. Zasilanie i odciąg powietrza odbywają się odpowiednio przez boczne ściany z siatki, której struktura tworzy skierowany strumień. „Oczywiście, wszystkie przewody doprowadzające, w tym elementy filtrujące i inne elementy systemu oczyszczania powietrza, są w pełni wykonane z tworzywa sztucznego jako elementy specjalne”, podkreśla Lischke, zwracając uwagę na szczegóły.

Specjalne rozwiązania wspierają badania

Kolejnym specjalnym rozwiązaniem są tak zwane „Flaps” – elementy kierujące powietrze, które na stanowiskach pracy, z dwoma ułożonymi jeden nad drugim poziomami, zapewniają laminarny przepływ powietrza. Były one konieczne, ponieważ w tych miejscach używane są płyty grzewcze do koncentracji próbek wody morskiej w temperaturze od 80 do 200°C, często przez wiele godzin. Wpływ ciepła z płyt grzewczych powoduje nieukierunkowane, turbulentne przepływy powietrza, które niepożądanie zakłócają laminarny strumień i zwiększają ryzyko krzyżowego zanieczyszczenia próbek. Dzięki „Flaps” powietrze jest kierowane tak, aby tego uniknąć.

Płyty grzewcze to własne rozwiązanie firmy z Hesji, produkowane i rozwijane od 20 lat; ich aluminiowe rdzenie zapewniają absolutnie jednorodne rozprowadzanie ciepła na całej powierzchni. Całkowite osłonięcie ich temperaturą odpornym PTFE gwarantuje, że nie będą emitować cząstek metalu do otoczenia.

Nowe pomieszczenie stanowi istotną poprawę warunków pracy dla członków grupy badawczej dr Pahnke-May. Dotychczas badania przeprowadzano w innych laboratoriach uniwersytetu, gdzie dostępny był tylko jeden stanowisko z mobilnym wyciągiem. Nie można było tam zapewnić trwałej czystości cząstek. Teraz naukowcy mogą pracować na pięciu stanowiskach, specjalnie dostosowanych do różnych zadań, w najlepszych możliwych warunkach. Umożliwia to także analizę pierwiastków śladowych, które są szczególnie podatne na zanieczyszczenia. „Zawartość żelaza czy ołowiu w wodzie morskiej jest ekstremalnie niska. W metalowych tlenkach lub skałach jest bardzo wysoka; są one więc zawsze obecne w normalnym otoczeniu jako pył”, wyjaśnia Pahnke-May. „Przed wybudowaniem tego nowego pomieszczenia analiza takich izotopów była niemożliwa.”