Analytische Chemie
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Stahlbetonbauwerke der Verkehrsinfrastruktur sind nutzungsbedingt Expositionen ausgesetzt, die zu Schä-den an der Konstruktion führen können. Dabei ist in erster Linie die Einwirkung von tausalzhaltigen Wässern im Winter zu nennen, die durch den Beton kapillar und über Diffusionsvorgänge aufgenommen werden. Ein Weg, die kapillare Wasseraufnahme zu unterbinden, ist eine Tiefenhydrophobierung der Werkstoffoberflä-chen durch siliziumorganische Verbindungen. Die Wirksamkeit und die Dauerhaftigkeit dieser Tiefenhydro-phobierungen werden im Wesentlichen durch die Eindringtiefe und den Wirkstoffgehalt in der Betonrandzone bestimmt. Diese beiden Parameter gilt es also in der Qualitätssicherung zu überprüfen.
Bisherige Verfahren zur Qualitätssicherung einer hydrophobierenden Maßnahme sind mit einer Bohrkernent-nahme verbunden, da die Analysen im Labor durchgeführt werden müssen. Andere Verfahren arbeiten zwar zerstörungsfrei und können am Objekt durchgeführt werden, liefern aber keine Informationen über die Ein-dringtiefe und die Wirkstoffverteilung. Das Fehlen eines geeigneten Qualitätssicherungs-Verfahrens hat eine breite praktische Anwendung der als technisch sehr leistungsfähig geltenden Tiefenhydrophobierungen bisher verhindert.
Im Rahmen eines vom BMBF geförderten Forschungsvorhabens wurde ein Verfahren entwickelt mit dem direkt vor Ort das Vorhandensein der Tiefenhydrophobierung nachgewiesen und die Wirkstoffverteilung in der Betonrandzone detektiert werden kann. Da der chemische Kontrast einer Tiefenhydrophobierung zum Beton gering ist mussten „reaktive Marker“ entwickelt werden, die an das eigentliche Hydrophobierungsmittel chemisch gebunden wurden. Mit dem Verfahren der „Laser Induced Breakdown Spetroscopy“ (LIBS) konnte dann die Verteilung des als Marker verwendeten Elementes, und damit der Wirkstoffgehalt in der Betonrand-zone qualitativ und quantitativ bestimmt werden.
Das Vorhaben SILAMARK wurde als Verbundprojekt unter Beteiligung der Sto SE & Co. KGaA, der Bundes-anstalt für Materialforschung und –prüfung, der Hochschule Karlsruhe – Technik und Wirtschaft (HsKa), der Aqua Stahl GmbH und der Specht Kalleja + Partner Beratende Ingenieure GmbH realisiert.
LIBS (laserinduzierte Plasmaspektroskopie) ist bekannt für eine schnelle, simultane Multielementanalyse, welche kaum bis keine Probenvorbereitung benötigt. Im Hinblick dessen ist das Interesse an LIBS als Online-Analysentechnik für den Einsatz auf Agrarflächen in den letzten Jahren stark gestiegen.
Im Rahmen des Projekts I4S (engl. für: intelligence for soil) soll mithilfe von LIBS der Elementgehalt von Makro- und Mikronährstoffen in Böden in Echtzeit bestimmt werden. I4S gehört zu den zehn interdisziplinären Forschungsprojekten des Innovationsprogramms BonaRes und arbeitet an der Entwicklung einer Sensorplattform für ein ortsspezifisches Management der Bodenfruchtbarkeit. BonaRes ist vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert und beschäftigt sich mit Boden als nachhaltige Ressource für die Bioökonomie.
Für die Anwendung von LIBS an Böden wurde ein spezieller Aufbau konstruiert. Die Probenzufuhr erfolgt über einen drehbaren Probenteller, auf den der lose Boden in Form einer Spur aufgetragen oder als gepresste Tablette platziert werden kann. Der Probenteller kann in unterschiedlichen Geschwindigkeitsstufen betrieben werden, um die Anwendung auf dem Feld zu simulieren. Für eine höhere Signalintensität und eine bessere Reproduzierbarkeit wird eine Doppel-Puls (DP) Nd:YAG Lasereinheit verwendet. Weiterhin besitzt der LIBS-Messkopf eine integrierte Absaugvorrichtung, um bei dem Ablationsprozess entstehende Stäube zu minimieren und eine störungsfreie Detektion des Signals zu gewährleisten.
Da es sich bei LIBS um eine Relativmethode handelt, muss das System für eine absolute Quantifizierung hinsichtlich der Zielanalyten kalibriert werden. Hierfür werden realitätsnahe Proben benötigt. Es wurden 16 freiverkäufliche, zertifizierte Referenzmaterialien gemessen und für die Kalibrierung verwendet. Aufgrund der komplexen Bodenmatrix und Einflüsse, wie Korngrößeneffekte und Feuchtigkeit, stellt die absolute Quantifizierung mittels LIBS eine Herausforderung dar. Für die Kalibrierung wurde sowohl ein univariater als auch ein multivariater Analyseansatz (Partial least square regression) verwendet. Mittels der multivariaten Auswertung konnte ein robusteres Kalibriermodell aufgrund einer besseren Korrelation zwischen Signalintensität und Elementkonzentration erstellt werden.
Innerhalb des I4S-Verbundes gibt es eine Vielzahl von Bodenproben von unterschiedlichen Testackerflächen mit bereits bekannten Informationen über die chemische Zusammensetzung, Textur und Korngrößenverteilung. Diese Bodenproben sollen im nächsten Schritt für weitere Berechnungen und zu Validierungszwecken verwendet werden.
Die Gehalte von für das Pflanzenwachstum relevanten Nährstoffen divergieren innerhalb einer landwirtschaftlichen Nutzfläche sehr stark. Für eine ertragssteigernde Bewirtschaftung ist daher eine gezielte Düngung unabdingbar. Die Nachfrage nach einer kostengünstigen, flächendeckenden Kartierung von Ackerflächen in Bezug auf die im Boden enthaltenen Nährstoffe steigt demnach. Hierzu werden schnelle, mobil einsetzbare und verlässliche Messmethoden benötigt.
Eine geeignete Methode stellt die laserinduzierte Plasmaspektroskopie (kurz: LIBS aus dem Englischen für laser-induced breakdown spectroscopy) dar. Die LIBS ermöglicht eine schnelle und simultane Multielementanalyse und ist dabei nahezu zerstörungsfrei. Des Weiteren bedarf es für die Analyse kaum bis keine Probenvorbereitung was den Einsatz auf dem Feld begünstigt. Die Methode beruht auf der Ionisierung des Probenmaterials (Plasmabildung) durch den Beschuss dieser mit kurzen Laserpulsen. Während der Expansion des Plasmas wird Strahlung emittiert, welche charakteristisch für die in der Probe enthaltenen Elemente ist.
Das hier verwendete LIBS-System verfügt über einen Doppelpuls-Laser, bei dem zwei Laserpulse im kurzen Abstand hintereinander ausgesendet werden. Der erste Laserpuls ist für die “Vorbehandlung“ der Probe und der zweite Laserpuls für die Erwärmung des Plasmas. Dadurch können die Nachweisgrenzen im Vergleich zu einem einfach gepulsten Laser deutlich verbessert werden.
Die Probenzufuhr findet durch einen drehbaren Probenteller statt auf dem der lose Boden in Form einer Spur aufgetragen wird. Der Probenteller kann in verschiedenen Geschwindigkeiten betrieben werden, um die Anwendung auf dem Feld zu simulieren.
Da es sich bei der LIBS um eine Relativmethode handelt, ist eine Kalibrierung mit exakten Referenzwerten von verschiedenen Bodenproben notwendig. Böden weisen eine sehr komplexe Matrix auf, was die verlässliche Analyse mittels LIBS erschwert. Daher ist zunächst das Ziel die verschiedenen Messparameter des LIBS-Systems für unterschiedliche Böden zu optimieren und mögliche Störeffekte, wie Korngrößen und Feuchtigkeitsgrad, durch eine geeignete Probenkonditionierung zu eliminieren.
Der Vortrag stellt einige aktuelle Herausforderungen für die Prozessanalytik und mögliche Antworten vor.
Gepulste Raman-Spektrometer akkumulieren das Raman-Signal mit Hilfe schneller optischer Schalter im Picosekunden-Bereich, bevor langlebigere Fluoreszenzanregung entsteht. Damit lassen sich stark fluoreszierende Materialien untersuchen, die bislang nicht zugänglich sind. Eine weitere interessante Entwicklung ist etwa die Shifted excitation Raman difference spectroscopy (SERDS) die besonders für biologische Anwendungen interessant ist.
Flexible, modulare Produktionsanlagen stellen einen vielversprechenden Ansatz für die kontinuierliche Produktion von Fein- und Spezialchemikalien dar. In einem EU-Projekt wird derzeit die Feldintegration eines Online-NMR-Sensormoduls als smartes Modul für die Prozesskontrolle vorangebracht. Dieses Modul basiert auf einem kommerziell erhältlichen Niederfeld-NMR-Spektrometer, welche zurzeit für die Anwendung im Laborbereich erhältlich ist. Für die Feldintegration wurde ein ATEX-zertifiziertes, explosionsgeschütztes Gehäuse entwickelt sowie Automationsschemen für den unbeaufsichtigten Betrieb und für die spektrale Datenauswertung erstellt.
Eine sehr gut anwendbare analytische Messtechnik zur Kontrolle der elementaren Zusammensetzung von verschiedensten Materialien ist die laserinduzierte Plasmaspektroskopie (LIPS, engl. LIBS - Laser-induced Breakdown Spectroscopy). Bei der LIBS wird ein kurz gepulster Laser auf eine Probe fokussiert, um ein Leuchtplasma zu erzeugen. Das dabei erzeugte Atomemissionsspektrum ermöglicht eine qualitative und quantitative Analyse der Zusammensetzung der Probe bezüglich praktisch aller Elemente des Periodensystems. In einem aktuellen Projekt wird diese Methode neben anderen zur Online-Analyse von Ackerböden für die ortsspezifischer Bewirtschaftung (Precision Agriculture) weiterentwickelt und bewertet.