CLB Chemie in Labor und Biotechnik - Chemie - Leben - Biotechnik
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CLB
Analytik
Biotechnik
Optimierte Prozesse
Komplexe Materialien
Maßgeschneiderte Moleküle
Menschen und Chemie
Chemie in Labor und Biotechnik Aus- und Weiterbildung
Optoakustische Spektroskopie
Umgang mit Gefahrstoffen
Linux in Biologie und Chemie
Praxis der Maßanalytik
11 / 2003 D 2046 E
CLB-Geschichte
Vor 225 Jahren:
Gay-Lussac geboren
Geburts- und Sterbetage sind Anlässe für Erinnerungen. Vor
53 Jahren erinnerte die CLB in ihrer Ausgabe 02-1950 an den
100sten Todestag von Joseph Louis Gay-Lussac. In diesen
Tagen jährt sich sein Geburtstag zum 225. Male. Das soll uns
heute ein Anlass sein, zurückzublicken auf ein Leben, das viele
unserer Selbstverständlichkeiten schon vor fast 200 Jahren vor-
ausahnte. Der Artikel mag Anlass sein für eine kleine gedank-
liche Zeitreise, die uns wieder einmal vor Augen führt, wie
kurz die Zeiträume unser wissenschaftlichen Errungenschaften
sind, wie sehr wohl auch noch um ihre Akzeptanz als Entschei-
dungsgrundlage in unsserer Welt gekämpft werden muss. Die
wird ja immer noch erschüttert von irrational geprägten religiö-
sen Auseinandersetzungen (Fortsetzung auf Umschlagseite 3).
U2 CLB Chemie in Labor und Biotechnik, 54. Jahrgang, Heft 11/2003
Liebe CLB-Leserin, lieber CLB-Leser,
in Städten und Gemeinden, in Bundesländern aus. Und Unix hat in der wissenschaftlichen
und auf der Bundesebene gibt es Trends hin zu Welt traditionell ein starkes Standbein! Sie
freien Betriebssystemen und offener Software. sehen also: Das Thema ist heiß. Demzufolge
Damit steht Deutschland nicht allein; insbeson- hat es jetzt auch ein neues Layoutmerkmal in
dere der asiatische Raum, aber auch Südameri- der CLB: Rote Seitenbalken und rote Schrift-
ka sowie etliche europäische Staaten wünschen zeichen für Titel und Einleitung (siehe Seiten
sich eine Alternative zu Microsoft-Produkten. 420 bis 423). Längerfristig werden sicherlich
Der Präsident der philippinischen Universität, auch andere Computerthemen dazukommen,
Dr. Francisco Nemenzo, ruft sogar in einem daher der Rubriktitel „computare“, lateinisch
offenen Brief zum Wechsel für zusammenrechnen...
auf. Nach einer scherzhaften
Einleitung („Lasst es uns auf Natürlich kommen auch die angestammten
Tagalog schreiben, damit Bill Themenfelder der CLB nicht zu kurz, so die
Gates es nicht lesen kann“) Analytik. Welche Anwendungsfelder die opto-
kommt Nemenzo schnell zur akustische Spektroskopie erschließt vermitteln
Sache: Die Universität stellt die Autoren Christoph Haisch, Thomas Schmid
ihre Infrastruktur auf Linux und Reinhard Nießner auf den Seiten 408 bis
um. Sobald diese Umstellung 413 in einem Übersichtsartikel. Wie man mit
abgeschlossen ist, wird man Gefahrstoffen umgeht steht in komplexen
keinen Support auf dem Cam- Regelwerken, aber übersichtlich auch in dem
pus mehr für Windows leisten. Artikel von Wolfgang Hasenpusch auf den Sei-
Darüber hinaus sollte sich je- ten 414 bis 419.
der darüber bewusst sein, dass
eine Entscheidung für Linux auch gleichzeitig Dann zieht sich noch ein kleiner roter Faden
eine Entscheidung gegen Softwaremonopole durch diese Ausgabe, der vielen etwas Hoff-
sei, meint Nemenzo. Natürlich sei es jedem nung hinsichtlich der Arbeitsmarktsituation in
selbst überlassen, alternativ sehr viel Geld für der Biotechnik geben wird: Biotechnik-Unter-
Lizenzen auszugeben oder mit Raubkopien zu nehmen erfahren eine höhere Wertschätzung.
arbeiten. Aber es seien, erklärt Nemenzo spezi- Das erläuterte ein US-Marktkenner auf Einla-
ell seinen Studenten, häufig die Gründe gegen dung der Technologiepark Heidelberg GmbH
einen Wechsel zu Linux nur in der eigenen (siehe Seite 431), belegt aber auch eine Studie
Bequemlichkeit zu suchen. von Frost & Sullivan (siehe Seite 434). Nicht
zuletzt weist auch die Zusammenarbeit von
Damit Ihnen, liebe Leserinnen und Leser, die Aventis mit dem Zentrum für Magnetische
Schwelle zur Nutzung von Linux et al. nicht zu Resonanz der Universität Frankfurt in diese
hoch erscheint, beginnt die CLB jetzt mit einer Richtung (siehe Seite 405).
Serie zu Unix-basierten Betriebssystemen und
Open Source-Software, ausgerichtet auf die
Belange in Chemie und Biologie. Auf diese Viel Spaß beim Lesen dieser CLB wünscht
Weise bieten wir einen Einstieg in günstige
Software, aber auch in neue Möglichkeiten
der Anwendung des Computers im Umfeld
Ihr
der wissenschaftliche Datenverarbeitung an.
CLB-Autor Dr. Röbbe Wünschiers hat mit
entsprechenden Vorlesungen für Biologen und
Editorial
Biochemiker an der Uni Köln schon gute Reso-
nanz erfahren. Übrigens: IBM, SAP und andere
große Hard- und Softwarehersteller richten ihre
Systeme bereits auf die geänderte Nachfrage
CLB Chemie in Labor und Biotechnik, 54. Jahrgang, Heft 11/2003 401
INHALT
Optoakustische Spektroskopie
Aufsätze
Vom Spektrophon zur OA-Tomographie_________________________ 408
Umgang mit Gefahrstoffen
Komplexes Regelwerk – vier Grundpflichten _____________________ 414
Linux, Knoppix, Mac OS X, Open Source: Vorteile von Unix et al.
in Chemie & Biologie
Teil 1: Betriebssysteme der anderen Art ________________________ 420
Editorial __________________________________________________ 401
Rubriken
Impressum ________________________________________________ 403
F & E im Bild _______________________________________________ 403
Unternehmen ______________________________________________ 404
Personalia _________________________________________________ 406
Förderungen / Preise ________________________________________ 407
Umschau
Neue Studien zur Intersexualität
Zum Titelbild:
Bei Menschen ein Fehler, bei Tieren überlebenswichtig ____________ 424 Das Bild zeigt eine Herzzell-
schicht, die auf der Transis-
Ein Modellherz aus lebenden torstruktur angewachsen ist
Herzmuskelzellen auf Siliziumtransistoren und gleichmässige Herz-
Herzzell-Transistor-Chip statt Ratten ___________________________ 426 schläge ausführt. Die Signale
können über Transistoren
Forschung und Technik ______________________________________ 428 ausgelesen werden (s.S.
426-427; Abb.: Forschungs-
Wirtschaft _________________________________________________ 431
zentrum Jülich).
Service ___________________________________________________ 435
Neue Produkte _____________________________________________ 436
Bezugsquellenverzeichnis ____________________________________ 439
Moderne Ionenanalytik (Teil 9): Maßanalytik
CLB-Memory
Praktische Anwendungen ____________________________________ M81
CHE begrüßt Umdenken beim Thema Studiengebühren
„Gebührenverbot ist grundfalsch“ _____________________________ M83
Modifizierung des Blue Genes-Experiments für Berufskollegs
Praktisch und preiswert______________________________________ M84
Hochwertige Rohstoffe für Phytopharmaka
Arzneimittel aus Ägypten ____________________________________ M85
Studierende für europäischen Hochschulraum
Bologna bleibt aktuell _______________________________________ M87
Prüfverfahren für Wasser nach der DACH GmbH
Mindestumfang für akkreditierte Labore ________________________ M88
402 CLB Chemie in Labor und Biotechnik, 54. Jahrgang, Heft 11/2003
F & E im Bild
Entschlüsselt: So sieht der Herpes simplex-Virus aus – in ca. 200 000facher Vergrößerung
Einem Forscherteam vom National Institutes of Health (NIH) sowie Wolfgang simplex-Virus vom Typ 1 handelt es sich um einen komplexen, nur 180 bis 220
Baumeister vom Martinsrieder Max-Planck-Institut für Biochemie ist es erst- Nanometer großen DNA-Virus. Seine als „Virion“ bezeichneten infektiösen Par-
mals gelungen, den äußeren Aufbau des Herpesvirus, mit dem mehr als 90 Pro- tikel bestehen aus Tausenden von Einzelmolekülen. Ihre DNA wird von einer
zent der Weltbevölkerung durchseucht ist, mittels Kryo-Elektronentomographie Proteinhülle (Capsid) beherbergt, deren Struktur aufgrund ihrer ikosaedrischen
sichtbar zu machen. Aufgrund der meist asymmetrischen Form von Viren war Symmetrie schon frühzeitig mittels Kryo-Elektronenmikroskopie aufgeklärt wer-
es bisher nicht möglich, die molekulare Architektur ihrer für die Infektion von den konnte. Im Gegensatz dazu war bisher über den Aufbau der asymmetri-
Zellen sehr wichtigen äußeren Schichten aufzuklären. Die Elektronen-Tomogra- schen, das Capsid umgebenden äußeren Schichten des Virions, insbesondere
phie ist eine Technik ähnlich der bekannten Magnet-Resonanz-Tomographie. aber über das „Tegument“, ein proteinreiches Kompartiment, sowie die mit
Dazu werden die Untersuchungsobjekte im Elektronenmikroskop schrittweise Glycoproteinen reich besetzte Hüllmembran fast nichts bekannt. Die Abbildung
um eine Achse rechtwinklig zum Elektronenstrahl gedreht und entsprechende unten zeigt links die Architektur des Herpes simplex-Virus 1, wie sie sich im Elek-
Projektionsbilder aufgenommen. Aus 80 bis100 dieser Bilder kann dann ein tronenmikroskop zeigt, in der Mitte ein Schnitt durch das rekonstruierte und
dreidimensionales Abbild errechnet werden. Durch die Kombination dieser entrauschte Tomogramm und rechts die detaillierte 3D-Struktur des Herpes-Viri-
Methode mit Gefriertechniken, bei denen die Probe schnell – ohne dass sich ons nach der Segmentierung seiner Hauptbestandteile aus dem Elektronento-
kristallines Eis bilden kann – eingefroren wird, lassen sich biologische Objekte mogramm. Alle Teilabbildungen sind im selben Maßstab (Bild: Kay Grünewald,
in ihrem natürlichen Zustand mit hoher Auflösung untersuchen. Bei Herpes Max-Planck-Institut für Biochemie/NIH).
Impressum
CLB Ständige Mitarbeiter: Layout und Satz: Anzeigenpreisliste:
Chemie in Labor und Biotechnik Priof. Dr. Wolfgang Hasenpusch, Hanau; Agentur & Verlag Rubikon Nr. 42 vom 1.1.2002. Bei Nichterscheinen
Dr. Mechthild Kässer, Diekholzen; Hans Druck: Printec Offset, Ochshäuser Straße durch Streiks o. Störung durch höhere Ge-
Verlag: Dietrich Martin, Köln; Dr. Uta Neubau- 45, 34123 Kassel walt besteht kein Anspruch auf Lieferung.
Agentur & Verlag Rubikon er, Bad Soden; Dr. Röbbe Wünschiers,
für technische und wissenschaftliche Köln. CLB erscheint monatlich. Die Zeitschrift und alle in ihr enthalte-
Fachinformation – Rolf Kickuth nen einzelnen Beiträge und Abbildun-
Anschrift: VBTA-Verbandsmitteilungen: Bezugspreise: gen sind urheberrechtlich geschützt.
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CLB Chemie in Labor und Biotechnik, 54. Jahrgang, Heft 11/2003 403
Unternehmen
NACHRICHTEN & NOTIZEN Neues Firmenkonzept bei Chemo
Der Bayer-Konzern hat sich von seiner 1998
Komplettanbieter
erworbenen Beteiligung am US-amerikanischen Bio-
tech-Unternehmen Millennium Pharmaceuticals, Inc.
getrennt. Bayer hatte damals eine Forschungsverein-
barung mit der US-Gesellschaft getroffen, die zum 31.
N ach Um-
setzung
des neuen Fir-
Oktober 2003 erfolgreich abgeschlossen war. menkonzeptes
Atofina baut neue Anlage für organische Peroxide ist Chemo auf
in Changshu (Region Shanghai) in China. Die Palette Expansions -
der organischen Peroxide der ATOFINA umfasst kurs. Notwen-
Polymerisationsinitiatoren, Vernetzungsmittel für dig wurden
synthetischen Kautschuk und Polyethylen sowie Här- die Neuaus-
tungsmittel für ungesättigte Polyesterharze. Außer- richtung und
dem hat das Unternehmen mit der US Gesellschaft personellen Cemowerk Schnelldorf in Mittelfranken
Albemarle eine Grundsatzvereinbarung über die Ver- Änderungen durch die gewan-
äußerung ihrer Bromaktivitäten getroffen. Betroffen delten Marktanforderungen. reich und der Schweiz umfas-
sind der Standort Port de Bouc (Bouches du Rhône, Zur Neuausrichtung gehört auch sende Beratung bezüglich den
Frankreich) sowie der Kundenstamm, die Technolo- die Diversifizierung weg vom rei- jeweils geltenden Vorschriften
gie und die gewerblichen Schutzrechte. nen GFK-Hersteller hin zum Kom- für Umwelt-, Arbeits- und Brand-
Forscher des Fraunhofer-Instituts für Integrierte plettanbieter und Problemlöser schutz an, damit sie die richtige
Systeme und Bauelementetechnologie IISB und für ganze Branchen. So ist der Be- Produktauswahl treffen können.
des Industriepartners Schott Lithotec können per- hälterspezialist beispielsweise auf In Schnelldorf entstand das
fekte Kristalle synthetisch züchten. Für Spezialopti- dem Weg zum führenden Anbieter Fertigungs- und Logistikzentrum.
ken in der Chipfertigung werden möglichst grosse und bei Diesel- und Eigenverbrauch- Der Standort Weinstadt mit zen-
reine Kristalle aus Flussspat benötigt. stankstellen mit gesetzeskonfor- traler Verwaltung einschließlich
BASF nimmt seine neue Vitamin B2-Anlage in Gun- men Komplettsystemen. Geschäftsleitung, Vertrieb, Mar-
san, Korea planmäßig in Betrieb. Mit einer Kapazität Auch der Ausbau und die Erwei- keting und Entwicklung wurde
von bis zu 3000 Jahrestonnen deckt die neue Anlage terung der europäischen Export- zum Kompetenzzentrum ausge-
den wachsenden Bedarf in Human- und Tierernährung märkte mit Vertriebspartnern vor baut. Die Zertifizierung nach ISO
und unterstreicht das Engagement der BASF im Vita- Ort ist weitgehend abgeschlossen. 9001 wurde schon im Jahre 1999
mingeschäft. Um durch Synergieeffekte dem durchgeführt. Damit reicht das
Die november AG und Siemens Medical Solu- Kunden bessere Problemlösungen Angebot und die Beratung von
tions bilden eine strategische Partnerschaft zur Ent- bieten zu können, wurde Anfang Transport- und Lagerbehältern
wicklung und Produktion neuer LabChip Produkte für 2003 die Alwomotive GmbH in Erf- über Ausrüstung von Fahrzeugen,
die schnelle, patientennahe Nukleinsäurediagnostik. stein zugekauft, einem Zulieferer Dieseltankstationen und Tankan-
Es lassen sich damit Infektionserreger, Krebszellen, von Fahrzeugteilen für Busse, LKW lagen für die Industrie bis hin zu
Resistenzen und andere genetische Faktoren nach- und Sonderfahrzeugen. Lösungen für den Umweltschutz
weisen. Chemo bietet seinen Kunden in und Winterdienstaufgaben der
Malvern Instruments Ltd (Malvern, GB), das welt- Deutschland, Frankreich, Öster- Kommunen.
weit führende Unternehmen in der Partikelcharakteri-
sierung, hat Bohlin Instruments Ltd (Cirencester, GB),
einen wichtigen Entwickler und Hersteller von rheo-
logischen Messsystemen, übernommen. Richard Hall,
Roche: Antibiotikum von Sankyo
Geschäftsführer von Bohlin, sitzt jetzt im Vorstand von
Malvern Instruments und wird das Rheologie-Team
des Unternehmens leiten.
D er Schweizer Pharmakon-
zern Roche hat jetzt die
ausschließlichen Rechte für
kommen. Weltweit belief sich der
Markt für antibakterielle Medika-
mente 2001 auf 25,2 Milliarden
Ganymed Pharmaceuticals AG, Mainz, ernennt das neue Antibiotikum CS-023 USD. Prognosen zufolge wird er
Herrn James A. Ratigan zum Chief Executive Offi- von Sankyo erworben. Das bis 2007 auf 27,6 Milliarden USD
cer. Herr Ratigan folgt Herrn Dr. Dr. Sven Rohmann, Medikament tritt gegenwärtig ansteigen. Durch das Auftreten
GANYMEDs Gründungs-CEO und geschäftsfüh- in die Phase II der klinischen resistenter Erreger werden die In-
render Gesellschafter von Nextech Venture. Das Entwicklung ein. fektionen virulenter und schwie-
Biotech-Unternehmen identifiziert und validiert Falls das parenteral zu verabrei- riger zu behandeln. Man schätzt,
humane Antigene, um die Behandlungsmöglichkei- chende Carbapenem CS-023 die dass 25-33% der hospitalisierten
ten von schweren lebensbedrohlichen Krankheiten Entwicklung erfolgreich durch- Patienten Antibiotika erhalten.
zu verbessern. läuft, wird es zur Behandlung Die meisten von ihnen benöti-
schwerer Infektionen auf Inten- gen eine längere und intensivere
sivpflegestationen zum Einsatz Therapie.
404 CLB Chemie in Labor und Biotechnik, 54. Jahrgang, Heft 11/2003
Unternehmen
Aventis und das Zentrum für Magnetische Resonanz der Uni Frankfurt:
Design neuer Wirkstoffbibliotheken
G emeinsames Ziel einer
neuen Zusammenarbeit
zwischen dem Pharmakonzern
Bio-NMR, die an der Universität
Frankfurt von Prof. Harald Schwal-
be und seiner Arbeitsgruppe be-
Weltweit sind derzeit weniger
als eine Hand voll kleine Molekü-
le als Medikamente zugelassen,
Aventis – hervorgegangen aus trieben wird. Prof. Günther Wess, die auf Kinasen wirken, doch
Hoechst und Rhône Poulenc Leiter Forschung und Entwicklung alle grösseren Pharmaunterneh-
– und dem Zentrum für Magne- von Aventis Europa und Präsident men untersuchen Kinasen als
tische Resonanz der Universität Prof. Rudolf Steinberg unterzeich- Angriffspunkte zur Entwicklung
Frankfurt ist es, potenzielle Me- neten den Kooperationsvertrag für neue Wirkstoffe. Aventis tut
dikamentenwirkstoffe zu iden- zwischen Aventis und dem Zen- dies mit Schwerpunkten in den
tifizieren. Das soll effizient trum für Magnetresonanz-Spek- Indikationen Krebs, Diabetes,
durch den Einsatz der Bio-Reso- troskopie (BMRZ) der Universität. Osteoarthrose und ausgewählten
nanz-Spektroskopie (Bio-NMR) Die Kooperation ist zunächst auf entzündlichen Erkrankungen.
geschehen. zwei Jahre ausgelegt und hat ein Die untersuchten Fragmente
Denn die Kreativität der Chemi- Volumen von 1,3 Millionen Euro sind natürlich noch lange keine
ker, die neue Moleküle für Arznei- (zu Koopetationen zwischen Phar- Wirkstoffe. Aber die Erkenntnisse
mittel entwerfen, übersteigt häufig maunternehmen und Biotechfir- ermöglichen es den Wissenschaft-
die Kapazitäten in den Synthesela- men siehe auch die Artikel auf den lern von Aventis zu entscheiden,
bors, obwohl dort Automaten und Seiten 431 und 434). aus welchen Strukturelementen
Roboter Einzug gehalten haben. Im Zentrum der Forschungszusam- sie neue, massgeschneiderte
Deshalb sind Verfahren so hilf- menarbeit stehen kleine Moleküle, Substanzbibliotheken für das
reich, mit denen sich bereits im die auf Kinasen wirken. Kinasen sind Screening von Kinasen aufbau-
Vorfeld vielversprechende Mole- eine Proteinfamilie, die bei sehr vie- en sollten. Und sie helfen den
külfragmente selektieren lassen, len Krankheiten eine Rolle spielen, Pharmaforschern, Kinasen als
die als Bausteine für spätere Arz- weil sie wichtige Aufgaben bei der Angriffspunkte für Medikamente
neimittel dienen könnten. Signalübertragung in den Zellen insgesamt besser zu verstehen
Ein solches wirkungsvolles ex- übernehmen, die bei zahlreichen und so gezielter neue Wirkstoffe
perimentelles Verfahren ist die Erkrankungen gestört ist. zu entwickeln.
Unfälle in der chemischen Industrie Invitrogen kauft Sequitur
Im 1. Halbjahr weiter sinkend RNAi-Technik
M it 8493 anzuzeigenden
Arbeitsunfällen in der
chemischen Industrie im ers-
mit!“, die unter der Schirmherr-
schaft Reinhold Messners steht,
gestartet.
D as US-Life-Science-Unter-
nehmen Invitrogen Corp.
übernimmt die Sequitur Inc. Das
ten Halbjahr 2003 ist erneut In erheblichem Maß ist auch die privatwirtschaftliche, in Natick
ein Rückgang erreicht. Die Zahl der Anzeigen auf Verdacht (Massachusetts) ansässige Unter-
chemische Industrie ist damit einer Berufskrankheit zurückge- nehmen verfügt über das Patent
der Industriezweig mit den gangen, und zwar um 5,0 Prozent für eine führende Technik zur
niedrigsten Unfallzahlen. auf 1487 Fälle. Bereits im achten RNA-Interferenz (RNAi).
Die chemietypischen Arbeits- Jahr in Folge ist diese rückläufige Durch „short-interfering“ RNA-
unfälle wie Vergiftungen und Tendenz festzustellen. Das ak- Moleküle können Wissenschaftler
Verätzungen spielen nach wie vor tuelle Berufskrankheitengesche- ein Gen praktisch ausschalten,
eine untergeordnete Rolle. Die hen ist aber kein Spiegelbild der um dessen Funktion und seine
Stolper- Rutsch- und Sturzunfälle heutigen Betriebsverhältnisse. Bedeutung bei der Entstehung ei-
stellen den größten Unfallschwer- Wegen der langen Latenzzeiten ner Krankheit besser zu verstehen.
punkt dar. Die Unfallfolgen sind vieler Berufskrankheiten reichen Bei der Stealth-RNAi-Technik von
zum Teil erheblich. Aus diesem die Ursachen bis in die 60er Sequitur Inc. handelt es sich um
Grund hat die BG Chemie im Jahre zurück, als Sicherheit und synthetische RNAi-Moleküle, die
Mai 2003 die bundesweite „Akti- Gesundheitsschutz noch nicht den klassischen siRNA-Molekülen
on: Sicherer Auftritt – Wir gehen das heutige Niveau hatten. überlegen sind.
CLB Chemie in Labor und Biotechnik, 54. Jahrgang, Heft 11/2003 405
Personalia
GANYMED Das Mainzer Unter- EHRUNGEN Am 25. November 2003 wurde
nehmen Ganymed Pharmaceuticals in Dresden der Wissenschaftler
AG erweiterte seinen Aufsichtsrat Den mit 20 000 Euro dotierten Prof. Dr. Ivan I. Aksenov vom
um Dr. Björn H. Hoffstedt, Prof. Dr. Dechema-Preis der Max-Buch- Charkower Institut für Physik und
Rolf Krebs und Dr. John L. Ryan. ner-Forschungsstiftung erhält in Technologie (Ukraine) mit dem
Ganymed ist ein Biotechnik-Un- diesem Jahr Dr. Andreas Gutsch, Manfred-von-Ardenne-Preis für
ternehmen, das humane Antigene Degussa AG / Marl für seine Angewandte Physik 2003 ausge-
identifiziert und als therapeutische Arbeiten, mit denen die Gaspha- zeichnet. Die Auszeichnung ist
Targets validiert, um die Behand- Gutsch sensysnthese von Nanopartikeln mit einem Preisgeld von 10 000
lungsmöglichkeiten von schweren von der Grundlagenforschung zur Euro verbunden. Aksenov und
Krankheiten zu verbessern. industriellen Anwendung geführt sein Laboratorium hatten in den
wurde. Ebenfalls verleiht die De- 70er Jahren ein neues Hightech-
chema die Otto-Roelen-Medaille Verfahren zur Beschichtung von
DIE MEDIGENE AG, ein an den Freiburger Privatdozenten Werkzeugen wie Bohrern, Frä-
deutsch-amerikanisches Bio- Dr. Stefan Mecking für seine sern, Tiefziehformen usw. mit
technologie-Unternehmen, gab Arbeiten zur Polymerisation in superharten und verschleißfesten
bekannt, dass COO Dr. Johanna Mecking wässrigen Mehrphasensystemen. Materialien entwickelt.
Holldack, Leiterin Forschung und
Entwicklung, das Unternehmen Mit dem Nationalorden der Die Robert-Koch-Stiftung hat den
aus persönlichen Gründen verlässt. französischen Ehrenlegion ist mit 65 000 Euro dotierten Robert-
Gleichzeitig wird Dr. K. Jon Ko- jetzt Prof. Joachim Treusch, Vor- Koch-Preis an den Neuropatho-
wal Senior Vize President und Lei- standsvorsitzender des Forschungs- logen Prof. Dr. Adriano Aguzzi,
ter der internationalen Forschung zentrums Jülich, geehrt worden. Er Zürich, Schweiz, verliehen. Mit der
und Entwicklung. Der Forschungs- wurde zum Ritter (Chevalier) der Robert-Koch-Medaille in Gold
und Entwicklungsbereich wird von Ehrenlegion (Legion d’Honneur) wurde der Immunologe Prof. Dr.
San Diego/USA an den Münchner ernannt. Damit werden die Ver- Tadamitsu Kishimoto, Osaka, Ja-
Hauptstandort Martinsried der dienste von Prof.Treusch für die pan, geehrt. Professor Agutti erhielt
MediGene AG verlagert. deutsch-französische Zusammenar- den Preis in Anerkennung seiner
beit in der Forschung gewürdigt. bahnbrechenden Entdeckungen auf
dem Gebiet der übertragbaren spon-
GDCh Zu seinem Präsidenten gioformen Enzephalopathien, die
für die Amtsperiode 2004/2005 Der Nationale Latsis-Preis 2003 den Prionkrankheiten zugerechnet
wählte der neue GDCh-Vorstand geht an die Neurobiologin Sivia werden. Professor Kishimoto erhielt
Professor Dr. Henning Hopf Arber vom Biozentrum und vom die Robert-Koch-Medaille in Gold in
von der Technischen Universi- Friedrich-Miescher-Institut in Würdigung seines herausragenden
tät Braunschweig, Institut für Basel. Sie wird für ihre entschei- wissenschaftlichen Lebenswerks im
Organische Chemie. Auch die denden Beiträge zum Verständnis Forschungsbereich der Zytokine.
stellvertretende Präsidentin, Arber neuronaler Schaltkreise im Rü-
Professor Dr. Petra Mischnick, ckenmark ausgezeichnet. Der mit „AltraSens“, ein Spin-off des
kommt von der TU Braunschweig, 100 000 Franken dotierte Preis Instituts für Landtechnik an der
Institut für Lebensmittelchemie. wird am 15. Januar 2004 im Berner Universität Bonn, ist mit dem Inno-
Der scheidende GDCh-Präsident, Rathaus übergeben. vationspreis der Volksbank Bonn
Professor Dr. Fred Robert Hei- Rhein-Sieg in Höhe von 12 000
ker, Geschäftsführer der Bayer Auf der Herbsttagung von ELSO und Euro ausgezeichnet worden. Nach
Innovation GmbH, Düsseldorf, GBM in Dresden wurde der Dort- dem 1. Preis im überregionalen
wechselt ebenfalls in das Amt des munder Wissenschaftler Prof. Dr. Businessplan-Wettbewerb von
stellvertretenden Präsidenten. Alfred Wittinghofer, Abteilungs- NUK der Hochschulregion Aachen,
direktor am Max-Planck-Institut Bonn, Köln und Düsseldorf ist dies
für molekulare Physiologie, mit der bereits die zweite Anerkennung
VDI Neuer VDI-Präsident ist höchsten wissenschaftlichen Aus- für die Wissenschaftler Dr. Peter
Eike Lehmann, promovierter zeichnung der GBM (Gesellschaft Böker (Landwirtschaftliche Fakul-
Schiffsbauingenieur aus Hamburg, für Biochemie und Molekularbiolo- taet) und Tim Hamacher (Mathe-
der damit Nachfolger von Hubertus gie), der Otto Warburg Medaille matisch-Naturwissenschaftliche
Christ wird. Herr Lehmann arbei- geehrt. Alfred Wittinghofer erhielt Fakultät). Die beiden Forscher
tet jeweils zur Hälfte in Wirtschaft diese Auszeichnung für seine grund- haben ein automatisches Ge-
und an der Universität Hamburg- legenden Beiträge zum Verständnis ruchsmesssystem entwickelt, das
Harburg. Er möchte sich für die der zellulären Signaltransduktion am inzwischen schon in Wien zur
Verbesserung der Ingenieurausbil- Beispiel kleiner GTP-bindender Pro- automatischen Überwachung der
dung einsetzen. teine wie dem Onkoprotein Ras. Kanalgerüche eingesetzt wird.
406 CLB Chemie in Labor und Biotechnik, 54. Jahrgang, Heft 11/2003
Förderungen / Preise
Dr. Christoph Wittmann vom Media Prize 2004 Karikatur-Wettbewerb
Institut für Technische Biochemie
der UdS wurde anlässlich der 12. Vor einem Jahr hat Novo Nordisk Im Rahmen des gemeinsamen
Europäischen Tagung der Biotech- den Media Prize ins Leben geru- Kulturprojekts „Innere Sicherheit“
nologen in Basel der Young Scien- fen. Mit diesem internationalen in Hannover haben die Humanis-
tist Award 2003 der European Medienpreis möchte das dänische tische Union und das Kultur- und
Federation of Biotechnology ver- Pharmaunternehmen Journalisten Kommunikationszentrum Pavillon
liehen. Sein Spezialgebiet ist das auszeichnen, die mit ihrer Arbeit einen Karikaturen-Wettbewerb
Bodenbakterium Corynebacterium wesentlich dazu beigetragen haben, zum Thema Überwachungs- und
glutamicum, das er jetzt genauer die Öffentlichkeit über Diabetes, Kontrollgesellschaft gestartet.
untersucht hat, um dessen Lysin- seine Folgen und Behandlungs- Der Themenbereich umfasst die
Stoffwechsel für die industrielle möglichkeiten aufzuklären. Entwicklung der internationalen
Produktion zu optimieren. Novo Nordisk lädt alle Vertreter und nationalen Sicherheitslage.
der Publikumspresse – ganz egal Eine Expertenjury wird die Arbei-
Mit dem Preis der Adolf-Mes- ob Tageszeitungen, Frauenzeit- ten bewerten. Die beste Karikatur
ser-Stiftung zur Förderung von schriften oder Apothekenkun- soll mit einem Preisgeld von 500
Forschung und Lehre an der TU denmagazine – ein, sich an der Euro belohnt werden. Der zweite
Darmstadt wurde der Chemiker Ausschreibung des Media Prize Platz erhält 400, der dritte Platz
und Privatdozent Dr. Stefan M. 2004 zu beteiligen. Der Gewin- 300 Euro. Die besten Werke wer-
Kast ausgezeichnet. Er erhielt den ner des nationalen Wettbewerbs den laut Veranstalter nach Ende
mit 50 000 Euro dotierten Preis für nimmt automatisch an der lände- des Wettbewerbs in zwei Ausstel-
seine wissenschaftlichen Arbeiten rübergreifenden Auswahl teil. Alle lungen in Berlin und Hannover
und Forschungsleistungen auf dem Artikel werden von einem unab- gezeigt. Die Ausschreibungsunter-
Gebiet der Theoretischen Physika- hängigen Gremium aus Journalis- lagen stehen auf der Web-Seite der
lischen Chemie. ten und Ärzten bewertet. Wer am Humanistischen Union zum Down-
Schluss gewinnt, kann sich über load bereit (www.humanistische-
Für ihre Leistungen im Gebiet ein Preisgeld in Höhe von 10 000 union.de). Der Einsendeschluss ist
der Kristallzüchtung erhielten Euro freuen. Beim Einreichen Ihres der 15. Januar 2004.
das Team von Prof. Müller, Ab- Artikels gelten folgende Auswahl-
teilungsleiter am Fraunhofer-Ins- kriterien:
titut für Integrierte Systeme und • Der Artikel muss sich mit Dia-
Bauelementetechnologie IISB und betes im Allgemeinen befassen Helmut-Stickl-Preis
das von Dr. Lutz Parthier, Leiter (Krankheitsbild, Behandlung,
für Forschung, Entwicklung und Produkte, etc.) und die Thema- Im Jahr 2004 wird der Helmut-
Technologie der Produktgruppe tik ansprechend und faktisch Stickl-Preis zur Förderung des
Crystals bei SCHOTT Lithotec korrekt behandeln. Impfgedankens zum 12. Mal von
den mit 50 000 Euro dotierten • Der Beitrag muss in einem der Deutschen Akademie für Kin-
Wissenschaftspreis des Stifter- Publikumsmedium (Laienpres- derheilkunde und Jugendmedizin
verbands. se) veröffentlicht sein und darf e.V. (DAKJ) ausgeschrieben und
ausschließlich in gedruckter verliehen. Stifter des mit 10 000
Form vorliegen (keine Website- Euro dotierten Preises ist das Un-
Artikel oder TV- und Hörfunk- ternehmen Aventis-Pasteur-MSD.
Die Stifterverbandspreisträger (v.l.) Ale- beiträge). Der Preis wird zu Ehren des 1991
xander Molchanov, Dr. Jochen Friedrich, • Der Erscheinungstermin muss verstorbenen Prof. Helmut Stickl
Oliver Gräbner, Gheorghe Ardelean und zwischen 1. Juli 2003 und 30. verliehen.
Prof. Georg Müller (Foto: FhG). April 2004 liegen. Bewerben können sich niederge-
• Einsendeschluss ist der 30. lassene Ärzte, Medizinjournalisten
April 2004. oder andere engagierte Personen,
die sich im Laufe der letzten fünf
Der nationale Gewinner wird am 1. Jahre im Bereich des Impfwesens
Juni 2004 bekannt gegeben. Wer besondere Verdienste erworben
international das Rennen gemacht haben. Weitere Informationen
hat, wird im September 2004 und Teilnahmebedingungen so-
bekannt gegeben. Eine Kopie des wie die Bewerbungsformblätter
Artikels unter Angabe von Titel können Sie über die Internetseite
und Erscheinungstermin ist zu www.dakj.de erhalten. Bewerbun-
richten an: Novo Nordisk Pharma gen müssen bis zum 27. Februar
GbmH, Anette Weiskircher, Bruck- 2004 in der Geschäftsstelle der
nerstraße 1, 55127 Mainz. DAKJ eingegangen sein.
CLB Chemie in Labor und Biotechnik, 54. Jahrgang, Heft 11/2003 407
Optoakustische Spektroskopie
Vom Spektrophon zur OA-Tomographie
Christoph Haisch, Thomas Schmid, Reinhard Nießner
Wie zahlreiche andere spektroskopische Techniken, die
heutzutage unter der Verwendung von Lasern eingesetzt
werden, reicht der Ursprung der optoakustischen (OA)
oder photoakustischen Spektroskopie wesentlich weiter
zurück als die Erfindung des Lasers im Jahre 1960.
Bereits 1881 schlug A. G. Bell sein „Spektrophon“ vor
(Abbildung 1), „for the purpose of the examination of
the absorption spectra of bodies in those portions of
the spectrum that are invisible“ [1]. Die Grundlagen für
dieses „Gerät zur Absorptionsmessung von unsichtbarer
Strahlung” stammt aus seinen Arbeiten zur kabellosen Abbildung 1: Das „Spektrophon“ von Alexander Graham Bell
Übertragung von Schall. Über mehr als ein halbes Jahr- aus dem Jahre 1881.
hundert wurde der OA Effekt weder zur Schallübertra-
gung noch für spektroskopische Messungen in größerem
Rahmen eingesetzt. Mitte der 70er Jahre wurden von A. betrachtet werden. Allerdings ermöglicht auch eine
Rosencwaig und A. Gersho die theoretischen Grundlagen klassische Absorptionsmessung mittels UV-Vis-Spek-
des OA Effekts in der nach ihnen benannten RG-Theorie trometer keine direkte Erfassung der absorbierten
beschrieben und damit die Grundstein für eine breitere Energie; die Messgröße ist hier die durch die Probe
Anwendung dieser Technik gelegt [2]. transmittierte Energie. Die absorbierte Energie
wird berechnet aus dem Quotienten zwischen ein-
Die optothermische (OT) Spektroskopie kennt zahl- gestrahlter und transmittierter Energie. Wenn also
Walitza
reiche verschiedene Variationen für die Messung in der Probe Licht zusätzlich gestreut wird und somit
von Absorptionen in Festkörpern, Gasen und Flüs- nicht in Transmissionsrichtung erfasst werden kann,
sigkeiten, die alle auf einem grundlegenden Prinzip wird das Ergebnis bei einer klassischen Transmissi-
basieren (siehe Abbildung 2): Optische Strahlung onsmessung verfälscht. Bei der OT Absorptionsmes-
wird in der jeweiligen Probe absorbiert und führt sung hingegen trägt nur die tatsächlich in der Probe
über nichtstrahlende Relaxation zu einer Änderung deponierte Energie zur Erwärmung und damit zu
Derbel
des thermischen Zustandes dieser Probe. Die Mess- dem Signal bei. Lichtstreuung und Reflexion haben
Stroh größe ist dann die Änderung von Druck, Temperatur keinen direkten Einfluss auf das Signal.
oder Dichte. In diesem Sinne kann die OT-Spektros- Wie bereits erwähnt gibt es zahlreiche Techniken,
kopie als indirekte Messmethode für die Absorption um die Änderung des thermischen Zustands der
Probe zu erfassen. Die direkte Vorgehensweise ist
die Messung der Temperaturänderung an der Pro-
benoberfläche. Wenn diese Messung mittels Termo-
Die Autoren element auf der Probenoberfläche erfolgt, wird die
Haisch Dr. Christoph Haisch leitet als Physiker die neu aufgebaute Technik als thermometrisch bezeichnet. Eine andere
Gruppe für angewandte Optoakustik am Institut für Wasserchemie Möglichkeit der Detektion der lokalen Erwärmung
der Technischen Universität München. Nach Aufenthalten als ist die Messung der von der Probenoberfläche emit-
Gastwissenschaftler in Paris und Berlin kehrte er im Jahr 2001 an tierten Wärmestrahlung über eine infrarotempfind-
die TU München zurück, wo er bereits bis 1998 als Doktorand liche Kamera. Im Vergleich zur thermometrischen
tätig war. Dr. Thomas Schmid ist Diplom-Chemiker und befasst Messung hat diese Vorgehensweise mehrere Vortei-
sich seit Ende 1999 am Institut für Wasserchemie mit der opto- le. Die Messung kann berührungslos erfolgen, und
Schmid akustischen Spektroskopie an Flüssigkeiten und Feststoffen. Im über die Kamera ist die simultane Erfassung eines
Lehmann Oktober 2003 hat er seine Promotion zu diesem Thema erfolgreich größeren Oberflächenbereichs möglich.
abgeschlossen. Prof. Dr. Reinhard Nießner ist Direktor des Insti- Weiter verbreitet als diese thermischen Erfas-
tuts für Wasserchemie und Chemische Balneologie und steht dem sungsmethoden sind indirekte Messtechniken.
Lehrstuhl für Hydrogeologie, Hydrochemie und Umweltanalytik Die lokale Erwärmung infolge der eingestrahlten
vor. Die Arbeitsschwerpunkte des Instituts reichen von klassischer Energie führt zu einer lokalen Expansion, die sich
Wasseranalytik über Aerosol- und Luftchemie bis zur Laserspektro- als lokale Druckerhöhung in der Probe zeigt und
skopie. Seit vielen Jahren gilt sein Interesse den verschiedensten an der Probenoberfläche detektiert werden kann.
Nießner Aspekten der optoakustischen Spektroskopie. Optothermische Verfahren, die auf diesem Prinzip
408 CLB Chemie in Labor und Biotechnik, 54. Jahrgang, Heft 11/2003Quantifizierung
von Russ in motorischen Abgasen
Angesichts des zunehmenden Automobil- und ins-
besondere LKW-Verkehrs ist die Notwendigkeit zur
Reduktion der Schadstoffemission von Verbrennungs- AUFSÄTZE
motoren jedermann offensichtlich. Die kommenden
Generationen von Dieselmotoren und entsprechen-
den Abgasnachbehandlungssystemen emittieren
signifikant weniger klima- und gesundheitsschädliche
Russpartikel als derzeit gängige Modelle. Insbesonde-
re während kontinuierlichem Teillastbetrieb liegen
die Konzentrationen im Bereich von unter 100 µg/
m3. Allerdings treten während Lastwechseln für
wenige Sekunden deutlich höhere Konzentrationen
auf. Daraus ergeben sich verschiedene Anforderun-
gen an ein Partikelmesssystem, die von einem auf
OA-Absorption basierendem System erfüllt werden
können und beispielhaft für eine Vielzahl von anderen
Aufgabenstellungen in der Gasmesstechnik betrachtet
werden können. Ein für die Motorenentwicklung und
-optimierung geeignetes System muss empfindlich ge-
nug sein, um auch die geringen Konzentrationen im
Teillastbetrieb und Leerlauf sowie hinter einer Abgas-
nachbehandlung messen zu können. Im günstigsten
Fall sollten Messungen bis zur Umgebungsbelastung
im städtischen Raum möglich sein. Andererseits ist ei-
Abbildung 2: Das Prinzip der optothermischen Spektroskopie.
basieren, werden als optoakustische (OA) oder pho-
toakustische Verfahren bezeichnet.
Der Grund für diese Bezeichnung liegt in der
technischen Realisierung einer solchen Messung.
Die Probe wird nicht mit einer kontinuierlichen
Lichtquelle bestrahlt, sondern mit moduliertem
Licht. Die resultierende Erwärmung und nachfol-
gende Ausdehnung ist damit ebenfalls moduliert,
d.h. es findet eine Ausdehnung und anschließend
eine Kontraktion statt. Die daraus resultierende
Druckwelle kann als Schallwelle betrachtet und mit
Mikrophonen detektiert werden. Auch wenn die
Anregung mittels einzelner Laserpulse und nicht
über eine modulierte Lichtquelle erfolgt, und damit
ein einzelner Druckstoß und keine Welle im enge-
ren Sinne erzeugt wird, spricht man von OA-Spek-
troskopie. Die Detektion erfolgt dann meist über
piezoelektrische Druckaufnehmer. Eine gepulste Abbildung 3:
Anregung wird im Allgemeinen zur Absorptionsana- Optoakustisches
lyse von Festkörpern und Flüssigkeiten eingesetzt. System zur
Verschiedene Ausführungen und Anwendungen der Rußmessung in
OA-Spektroskopie werden im Folgenden an Beispie- motorischem
len vorgestellt. Abgas.
CLB Chemie in Labor und Biotechnik, 54. Jahrgang, Heft 11/2003 409Optoakustische Spektroskopie
oder elektrooptisch moduliert, um eine Druckwelle
und nicht eine kontinuierliche Erwärmung und da-
mit Volumenzunahme zur erreichen. Das Hörrohr
in Kombination mit dem menschlichen Ohr wird
heutzutage durch ein Mikrophon ersetzt, dessen
Signal elektronisch verstärkt werden kann. Trotz
dieser sehr empfindlichen Mikrophontechnik lässt
sich ein solches System sehr unempfindlich gegen
Außenlärm gestalten. Zum einen findet die Absorp-
tion in einer geschlossenen Zelle statt, die durch
ihre Gestaltung Außengeräusche sehr effizient ab-
schirmt. Zum anderen befindet sich in dieser Zelle
ein akustischer Resonator, in dem die Absorption
stattfindet und der die dabei erzeugte Schallwelle
gezielt frequenzabhängig verstärkt, während an-
dere Frequenzen durch akustische Bandpassfilter
eliminiert werden. Durch die Gestaltung des Re-
Abbildung 5: Kor- sonators sind Signalverstärkungen bis zu einem
relation zwischen ne Dynamik von mehreren Größenordnungen notwen- Faktor 1000 erreichbar und werden technisch
PASS-Signal und dig, um auch die während Lastwechseln auftretenden auch für verschiedene Anwendungen realisiert. Je
der thermoche- Spitzenkonzentrationen quantitativ erfassen zu kön- größer die Verstärkung ist, desto schmaler ist das
misch gemesse- nen. Nachdem diese Spitzen nur sehr kurz auftreten, Resonanzprofil, das angibt, in welchem Bereich um
nen Masse an ist eine Zeitauflösung im Sekundenbereich oder bes- die Resonanzfrequenz herum welche Verstärkung
elementarem
ser gefordert. Unempfindlichkeit gegenüber anderen wirkt. Nachdem die Resonanzfrequenz von der
Kohlenstoff.
Partikeln außer Ruß und eventuellen gasförmigen An- Schallgeschwindigkeit in der Zelle abhängt, kann
teilen im Abgas sind ebenso eine selbstverständliche bei einer sehr schmalen Resonanzfrequenz eine
Anforderung an ein analytisches Messsystem, das für geringfügige Änderung der Schallgeschwindigkeit,
den Routinebetrieb zu entwickeln ist. etwa durch eine Änderung der Gastemperatur, zu
In Abbildung 3 ist der Aufbau eines OA-Systems einer signifikanten Änderung der Verstärkung und
zur Rußmessung in motorischem Abgas (PASS, pho- damit des Signals führen. Im Fall der Rußdetektion
toacoustic soot sensor) dargestellt. Dieser Aufbau in motorischen Abgasen wird daher ein Resonator
dient als Beispiel für alle auf OA-Spektroskopie basie- mit einem mäßigen Verstärkungsfaktor von etwa
renden Gasanalysatoren, welche alle aus vergleich- 20 eingesetzt. Damit ist das System wenig anfällig
baren Komponenten bestehen, die an die jeweiligen gegen Variationen der Schallgeschwindigkeit, die et-
Anforderungen angepasst sind. Diese Komponenten wa durch Schwankungen der Abgastemperatur oder
finden sich auch alle bereits in dem von A. G. Bell des Feuchtigkeitsgehaltes hervorgerufen werden
vorgeschlagenen „Spektrophon“. Statt Sonnenlicht können. Zudem ist die Messzelle auf 52° beheizt,
dient als Lichtquelle heutzutage ein Laser, der Licht um die Kondensation von Wasserdampf an den Zelle-
Abbildung 6: der gewünschten Absorptionswellenlänge emittiert. ninnenwänden zu vermeiden und die Gastemperatur
PASS-Signal Der Laserstrahl wird entweder, wie bereits bei Bell, weitgehend konstant zu halten. Die elektronische
eines transienten mittels eines mechanischen Zerhackers (chopper), Aufnahme des Signals erfolgt über einen lock-in-Ver-
Fahrzyklus. stärker, der als extrem schmalbandiger Filter wirkt
und nur Signale mit der Modulationsfrequenz der
Lichtquelle aufnimmt und verstärkt.
Vervollständigt wird der PASS durch das Gas-
führungssystem. Das Abgas wird von der Entnah-
mestelle entweder direkt oder über einen Filter in
die Messzelle gesaugt. Durch die Messung hinter
dem Filter kann das Untergrundsignal bestimmt
werden, das beispielsweise von der Absorption von
verschmutzten Fenstern stammen kann. Hinter der
Zelle wird das Gas gefiltert und der Gasfluss über
einen Durchflussregler kontrolliert. Der Gasfluss
wird von einer Vakuumpumpe erzeugt, hinter der
das Gas entweder zurückgeführt werden kann in
das Abluftsystem oder direkt in die Abluft geleitet
wird. Das ganze gasführende System kann auf 50 °C
geheizt werden, um Kondensation von Wasserdampf
zu verhindern.
410 CLB Chemie in Labor und Biotechnik, 54. Jahrgang, Heft 11/2003IR-Absorptionsmessungen
von opaken Feststoffen
Die Infrarot-Spektroskopie an stark absorbierenden
und opaken Feststoffproben ist ein Gebiet, in dem
die OA Spektroskopie bereits routinemäßig einge- AUFSÄTZE
setzt wird. Beinahe alle Hersteller von FT-IR Spek-
trometern und entsprechendem Zubehör bieten
Messzellen für diese Anwendung an. Das zugrunde
liegende Prinzip dieser Messungen ist, analog zu
den oben beschrieben Messungen an Gasen, die
modulierte Absorption und Erwärmung der Probe.
Der IR-Strahl des IR-Spektrometers wird moduliert
und auf die Probenoberfläche gerichtet. Die Absorp-
tion der Strahlung führt auch hier zur Erwärmung
der Probe.
Abbildung 4: OA-Spektroskopie an Feststoffproben: Die
Messzelle liegt luftdicht auf der Feststoffoberfläche auf. Anders als im Gas wird aber im Festkörper nicht
die Ausdehnung infolge dieser Erwärmung direkt
erfasst, da der Wärmeausdehnungskoeffizient von
Festkörpern und damit das messbare Signal wesent-
Für die Einführung eines neuen Messsystems ist lich kleiner ist als bei Gasen. Stattdessen wird auf
es von großer Bedeutung, dass die damit erzielten die Probenoberfläche eine Messzelle luftdicht auf-
Ergebnisse mit den bisher eingesetzten Methoden gesetzt, durch die auch der Lichtstrahl auf die Pro-
korrelierbar sind. In Abbildung 5 ist die Korrelation benoberfläche gerichtet wird (siehe Abbildung 4).
zwischen dem PASS-Signal und der thermochemisch Die Erwärmung der Probenoberfläche führt zu einer
gemessenen Masse an elementaren Kohlenstoff auf Erwärmung des darüber befindlichen und in der Zel-
Filtern dargestellt, die parallel zu den PASS-Mes- le eingeschlossenen Gasvolumens. In Analogie zur
sungen beladen wurden. Offensichtlich ist über Gas- und Aerosolanalyse wird die durch Ausdehnung
einen großen Konzentrationsbereich ein linearer hervorgerufene Druckwelle über ein Mikrophon in
Zusammenhang gegeben. Tatsächlich beträgt der der Messzelle erfasst und über einen lock-in-Verstär-
lineare dynamische Bereich der PASS-Messung ker verarbeitet.
mehr als drei Größenordnungen. Mit klassischer Mögliche Anwendungen dieser Technik reichen
Absorptionsmessung sind solche Dynamikbereiche von materialwissenschaftlichen Untersuchungen
nicht möglich. über Messungen an Textilien und Faserstoffen oder
Ein weiteres wichtiges Spezifikum des PASS ist fossilen Brennstoffen bis zur Lebensmittelkontrolle.
die Zeitauflösung. In Abbildung 6 ist das PASS-Signal Ein wesentlicher Vorteil dieses Messverfahrens ist Abbildung 7:
eines transienten Fahrzyklus (ETC, european transi- neben der Möglichkeit einer Kopplung mit her- OA-Absorptions-
ent cycle) dargestellt. Mit solchen transienten Zyklen kömmlichen FTIR-Spektrometern das weitgehende spektroskopie an
werden für die Motorenentwicklung und -zulassung Fehlen von Probenvorbereitung. Textil-Färbeflot-
Fahrten wie Stadt-, Überland- und Autobahnfahrten ten.
simuliert. Offensichtlich sind extreme Emissionsspit-
zen jeweils nur für sehr kurze Zeiten während der
Lastwechsel zu beobachten.
Der PASS-Sensor weist eine Nachweisgrenze von
weniger als 10 µg Russ pro Kubikmeter Abgas bei
einer Zeitauflösung von etwa 1 Hz auf. Queremp-
findlichkeiten gegen gasförmige Absorber wurden
durch die Auswahl der Laserwellenlänge im Spek-
tralbereich von 800 nm weitgehend ausgeschlos-
sen. Auch partikuläre Bestandteile des Abgases,
insbesondere Tröpfchen, tragen nicht zum Signal
bei, da sie das Laserlicht nicht absorbieren sondern
streuen. Bei einer klassischen Absorptionsmessung,
bei der die Messgröße die durch das Probenvolu-
men transmittierte Energie ist, führt Lichtstreuung
zu Artefakten. Bei einer OA Messung trägt nur der
Anteil zur Signalbildung bei, der wirklich absorbiert
wird und damit zur Erwärmung des Probenvolumens
beiträgt.
CLB Chemie in Labor und Biotechnik, 54. Jahrgang, Heft 11/2003 411Optoakustische Spektroskopie
Die optische Anregung erfolgt in diesem Fall mit-
tels einer gepulsten Laserlichtquelle, die auf die je-
weilige Absorptionswellenlänge eingestellt wird. Um
spektral aufgelöste Informationen zu erzielen, bieten
sich dabei durchstimmbare Laser wie Farbstofflaser
oder Optisch-Parametrische Oszillatoren (OPO) an.
Besonders vorteilhaft in Hinblick auf Anschaffungs-
und Betriebskosten sowie auf Wartungsaufwand
ist eine Kombination von einem Stickstofflaser mit
einem Farbstofflasermodul. Die notwendigen Pulsen-
ergien von 0.5 – 1 mJ können damit erreicht werden
und verschiedene Laserwellenlängen sind schnell
und einfach auch automatisiert auswählbar. Wenn
höhere Pulsenergien von mehreren mJ zur Verfügung
stehen, besteht die Möglichkeit, die Laserpulse über
Lichtwellenleiter an verschiedene Stellen in einem
Färbeprozess zu übertragen und diese sequentiell
Abbildung 8:
oder parallel zu überwachen.
Zusammenhang Der direkt oder via Lichtwellenleiter übertragene
zwischen OA-Analyse von Laserpuls wird über eine Linse in eine zylindrische
Laserenergie und stark absorbierenden Flüssigkeiten Durchflusszelle fokussiert (siehe Abbildung 7). Diese
OA-Signal. Zelle hat mit einem Durchmesser von 8 Millimeter
Transmissionsmessungen von stark absorbierenden und einer Tiefe von 10 Millimeter ein Volumen von
Flüssigkeiten sind ohne starke Verdünnung der ca. 0.5 cm3. Einlass und Auslass der Zelle liegen an
Lösung mit den üblichen Absorptionsspektrometern entgegengesetzten Seiten, so dass die Probenlösung
kaum möglich. Ein typisches Beispiel für solche stark rechtwinklig zum einfallenden Laserstrahl durch
absorbierende Lösungen sind Textil-Färbeflotten, die die Zelle strömt. Das optoakustische Signal wird
Konzentrationen von über 5 g L-1 und Absorptions- von einem Hydrophon erfasst, das gegenüber dem
koeffizienten von >103 cm-1 aufweisen. Solche Eintrittsfenster installiert ist. Diese Anordnung hat
Lösungen wirken etwa in 1-cm-Küvetten vollständig sich als besonders vorteilhaft für die Untersuchung
undurchsichtig; transmissionsbasierte Absorptions- von stark absorbierenden Flüssigkeiten erwiesen.
messungen sind daher nicht durchführbar. Verdün- Durch die starke Absorption und damit die geringe
nen der Lösungen ist zwar prinzipiell möglich, aber Eindringtiefe wird eine Druckwelle erzeugt, die sich
für eine kontinuierliche Prozessmesstechnik kaum als Kugelwelle annähern lässt, deren Zentrum im Fo-
praktikabel. Zudem nehmen Färbeflotten während kus des eingestrahlten Laserlichts liegt. Soll die OA
eines Färbevorganges Flusen von den Textilien auf, Spektroskopie zur Untersuchung von schwach absor-
die durch Lichtstreuung eine Transmissionsmessung bierenden Flüssigkeiten eingesetzt werden, ist eine
Abbildung 9: verfälschen würden. Damit wäre neben der Verdün- rechtwinklige Anordnung von Laserstrahl und Detek-
Zusammenhang nung auch noch eine Filtration der Lösung vor der tion sinnvoll, weil der Lichtstrahl die Messküvette
zwischen der Messung notwendig. OA-Absorptionsspektroskopie vollständig durchstrahlt und sich eine Zylinderwelle
Absorption der
bietet eine Alternative, die Messungen ohne jegliche um den Laserstrahl herum ausbildet.
Lösung und dem
Probenvorbereitung im Durchfluss erlaubt. Das Hydrophon besteht aus einem Eintrittsfenster,
OA-Signal.
das mit einer leitfähigen Oberfläche beschichtet ist.
Diese Schicht dient als Elektrode für eine piezoelekt-
rische Folie, die auf das Eintrittsfenster aufgeklebt ist.
Die piezoelektrische Folie aus PVDF (Polivinylidenflu-
orid) hat eine Stärke von 25 Mikrometer und einen
Durchmesser von 5 Millimeter. Auf der Rückseite der
Folie befindet sich die zweite Elektrode, die mit dem
Innenleiter der koaxialen Signalleitung verbunden
ist. Das Hydrophon, das einen Außendurchmesser
von 10 Millimeter hat, ist zur elektromagnetischen
Abschirmung in einem Metallgehäuse untergebracht
und mit einer BNC-Buchse versehen, über die das
Signal zu einem elektronischen Vorverstärker über-
tragen wird. Die Datenerfassung kann entweder über
ein Digitales Speicheroszilloskop (DSO) oder eine
schnelle (>100 MHz) Analog-Digital-Wandlerkarte
direkt im Auswertecomputer erfolgen.
412 CLB Chemie in Labor und Biotechnik, 54. Jahrgang, Heft 11/2003AUFSÄTZE
Abbildung 10: Modellsystem aus einem Paket von vier 1 mm
dicken Folien.
Allen OA Methoden ist gemeinsam, dass die
erzielten Signalintensitäten in einem weiten Be-
reich direkt proportional sowohl zur eingestrahlten
Abbildung 12: Absorptionsspektren der verschiedenen Folien.
Energie als auch zur Absorption sind. Der Grund
dafür ist, dass beide Einflussgrößen unmittelbar die
deponierte Energie beeinflussen. Der lineare Zusam- spektrometer keine sinnvolle Messung möglich ist.
menhang zwischen Laserenergie und OA-Signal ist Zur Anregung wurde ein durchstimmbares OPO-Sys-
in Abbildung 8 zu sehen, während Abbildung 9 den tem verwendet, die Detektion erfolgte mit einem
Zusammenhang zwischen der Absorption der Lösung Drucksensor ähnlich dem Hydrophon. In Abbildung
und dem OA-Signal, und damit die Kalibrierung des 11 ist das OA Signal bei verschiedenen Wellenlängen
Systems, illustriert. gegenüber der Zeitverzögerung bezüglich des Laser-
Eine weitere Anwendung eines solchen Messsys- pulses dargestellt. In verschiedenen Tiefen werden
tems ist z.B. die Bestimmung des Zuckergehaltes die verschiedenen Wellenlängen offensichtlich stark
von Fruchtsäften und Süßgetränken. Auch hier ist unterschiedlich absorbiert und erzeugen damit un-
die Möglichkeit, verlässliche Messungen in Gegen- terschiedlich intensive OA Signale. Die Absorptions-
wart von lichtstreuenden Partikeln in der Lösung spektren der verschiedenen Folien lassen sich daraus
durchführen zu können von Bedeutung. Die Quanti- ebenso rekonstruieren wie die Dicke der einzelnen
fizierung von Zucker in Flüssigkeiten wird nicht mit Folien (siehe Abbildung 12).
sichtbaren Laserwellenlängen durchgeführt, sondern In derselben Weise wie oben gezeigt lassen sich
über mehrere spezifische Zuckerabsorptionslinien im auch räumlich inhomogene Verteilungen von Ab-
Nahen IR. sorbern rekonstruieren. Dazu wird entweder der
Drucksensor über die Probe bewegt oder ein Array
Tiefenaufgelöste OA Spektroskopie von Drucksensoren eingesetzt. Ein solches System
eignet sich dann zur OA-Tomographie, etwa für me-
Neben der Möglichkeit, Absorptionsmessungen dizinische Anwendungen. Abbildung 11:
an stark absorbierenden beziehungsweise opaken OA Signal bei
sowie an streuenden Proben vorzunehmen, bietet Literatur verschiedenen
Wellenlängen
die OA-Spektroskopie die Möglichkeit, tiefenauf- 1. A.G. Bell, Phil. Mag. 11, 510 (1881).
gegenüber der
gelöste Absorptionsmessungen in Festkörpern 2. A. Rosencwaig und A. Gersho, „Theory of the Photoacoustic
Zeitverzögerung
vorzunehmen. Die durch die Absorption erzeugte Effect in Solids”, J. Appl. Phys. 47, 64-69 (1976). bezüglich des
Druckwelle breitet sich mit der entsprechenden Laserpulses.
Schallgeschwindigkeit in dem jeweiligen Medium
aus. Damit kann aus der Verzögerung zwischen dem
Laserpuls und der Detektion der Druckwelle an der
Probenoberfläche über die Schallgeschwindigkeit die
Tiefe berechnet werden, in welcher die Absorption
stattfand. Die Tiefenauflösung ist dabei durch die
Eindringtiefe des Lichts beschränkt. Vier verschie-
denfarbige, aufeinander gelegte Transparentfolien
von jeweils 1 Millimeter Dicke dienen im Folgenden
als einfaches Modellsystem. Die Folien wurden in
der Reihenfolge Gelb, Rot, Grün und Blau aufeinan-
der auf einen OA-Sensor gelegt. Wie in Abbildung
10 graphisch angedeutet, weist das Paket der vier
Folien in Transmission eine unbestimmte graue
Mischfarbe auf, so dass mit einem Transmissions-
CLB Chemie in Labor und Biotechnik, 54. Jahrgang, Heft 11/2003 413Sie können auch lesen
