Chemische Sensoren -
Analytische Instrumente

Eine Entwicklung in der Analytischen Chemie zielt darauf ab, Bestimmungsmethoden so zu vereinfachen, dass sie nicht nur im Labor, sondern auch direkt vor Ort eingesetzt werden können. Die Feldmessung ist deshalb wichtig, weil das herkömmliche Verfahren der Probennahme mit anschliessender Analyse im Laboratorium in der Regel viel aufwendiger ist. Nehmen wir als Beispiel die Situation in Bangladesch, wo eine sehr grosse Anzahl von Brunnen zur Trinkwasserversorgung mit natürlich vorkommendem Arsen verseucht sind und dadurch eine erhebliche Gefährdung der Bevölkerung darstellen. Ein portables Analysengerät ist wünschenswert, um die Brunnen mit einfachen Mitteln kostengünstig überprüfen zu können. Die direkte Messung hat ebenfalls den enormen Vorteil, dass die gewünschten Resultate sofort verfügbar sind. Damit können entsprechende Massnahmen unmittelbar und oft auch zu geringeren Kosten getroffen werden. Ein Beispiel dafür ist die Dekontamination von Erdreich, wo betroffene Stellen abgetragen und einem Reinigungsverfahren unterzogen werden müssen. Ausserdem sollen Analyseverfahren möglichst automatisiert werden, so dass sie ohne manuelle Bedienung eingesetzt werden können. Automatische vor-Ort Messungen sind etwa bei der Überwachung allfälliger Umweltverschmutzung wichtig. Weiter können solche Verfahren zur Steuerung industrieller Prozesse dienen und dazu beitragen, diese effizienter und sauberer zu gestalten.

Beim Entwurf von robusten Instrumenten ist es wichtig, immer einen möglichst direkten Weg einzuschlagen. Dies bedeutet, dass elektrochemische Methoden zu bevorzugen sind, da nur bei diesen Verfahren die zu messende Konzentrationsgrösse direkt in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. Bei anderen Verfahren sollen bestehende Möglichkeiten zur Vereinfachung ausgenützt werden, und oft müssen unkonventionelle Wege beschritten werden. So können etwa für optische Analysenverfahren moderne opto-elektronische Komponenten, wie sie für die faseroptische Telekommunikation entwickelt worden sind, eingesetzt werden. Ionen können, wo erforderlich, aufgrund der unterschiedlichen Wanderungsgeschwindigkeiten im elektrischen Feld (Elektrophorese) recht einfach getrennt werden, im Gegensatz zu den aufwendigeren herkömmlichen chromatographischen Methoden.

Eine ähnliche Entwicklung wird auch in der Elektronik angestrebt. Jedes elektronische Gerät, welches einen praktischen Nutzen aufweist, verfügt auf der Eingangsseite über einen Wandler, welcher eine Information aufnimmt, die es zu verarbeiten gilt (Tastatur, Schall, Temperatur, Lichtintensität etc.). Zur Zeit können chemische Informationen (Konzentrationen) aus der Sicht der Elektronik meist nur unzulänglich erfasst werden, da die Verfahren zu komplex und nicht adäquat automatisierbar sind. Die Messverfahren sollen dem Trend zur Miniaturisierung und Integration in der Elektronik folgen. Im Idealfall soll eine Konzentration mit einem chemischen Sensor erfassbar sein, d.h. mittels einer kompakten Sonde welche die gewünschte Grösse selbständig in ein elektrisches Signal umwandelt.

In der Praxis müssen bei der Umsetzung dieser Ziele oft Kompromisse in Bezug auf die Selektivität oder auch Empfindlichkeit der Methode gemacht werden. Die Entwicklung der herkömmlichen Laboranalyse geht - im Gegensatz dazu - hin zu möglichst vielseitigen Geräten. Diese Einschränkung ist aber oft kein Problem, da ja immer ganz bestimmte analytische Probleme gelöst werden sollen. Die Selektivität einer Methode muss nur den gerade geforderten Ansprüchen genügen.

Als Beispiel soll ein von uns entwickeltes optisches Instrument zur kontinuierlichen Bestimmung des Nickelgehaltes in einer Erz-Extraktionsanlage in Queensland (Australien) dienen. Dieses Gerät basiert auf einer Infrarot-Leuchtdiode aus der Kommunikationstechnik als Strahlungsquelle und führte zu einer Verbesserung der Ausbeute des Extraktionsprozesses. Konventionelle analytische Methoden hatten sich als völlig unbrauchbar erwiesen. Die Labormethoden konnten nicht die zur Steuerung benötigten unmittelbaren Resultate liefern und Versuche, herkömmliche Instrumente in der Anlage vor Ort zu installieren, schlugen fehl, da diese der korrosiven Atmosphäre nicht standhielten.

In unserer Gruppe ist ebenfalls ein Sensor für Äthen entwickelt worden (s. Abbildung oben). Dieses Gas spielt bei der Lagerung von Früchten, Gemüsen und Blumen eine Rolle. Um diese zu optimieren, ist es wünschenswert, über eine möglichst einfache Methode zur kontinuierlichen Erfassung des Äthengehalts in Kühlhäusern zu verfügen. Ebenso ist die Datenerfassung in Versand-Containern erstrebenswert. Es kamen praktisch nur elektrochemische Methoden in Frage. Da für diese Anwendung jedoch extrem tiefe Konzentrationen gemessen werden müssen, war es nicht möglich, auf schon bekannte Entwicklungen zurückzugreifen. Ein neues Prinzip war erforderlich, welches diesen speziellen Ansprüchen genügen konnte. Ein Schema dieses Sensors ist in Abbildung 1 gegeben. Die Arbeitselektrode besteht aus Gold, welches auf einer Membran abgeschieden wurde und direkt dem Gasfluss ausgesetzt ist. Die gewonnenen Erkenntnisse lassen sich jetzt auch auf neue empfindliche Sensoren für andere Gase von Interesse übertragen.

Abbildung 1:
Elektrochemische Zelle für die hochempfindliche Gassensorik bestehend aus drei Elektroden.
AE = Arbeitselektrode RE = Referenzelektrode GE = Gegenelektrode

Weiter werden in unseren Laboratorien optische und elektrochemische Detektionsmethoden für die Elektrophorese verbessert und vereinfacht. Dies wird durch konsequente Umsetzung der essentiellen Prinzipien mit robusten Komponenten möglich, ohne Kompromisse eingehen zu müssen. Diese Fortschritte erlauben es erstmalig, tragbare Geräte für die allgemeine Ionenanalytik zu verwirklichen. Abbildung 2 zeigt die Analyse eines Ionengemisches mittels Trennung in der Kapillarelektrophorese und elektrochemischer Detektion.

Abbildung 2:
Potentiometrische Detektion von Ionen nach Trennung im elektrischen Feld
(Kapillarelektrophorese).

Die Entwicklung von instrumentellen Methoden der analytischen Chemie setzt fundamentale Kenntnisse der Chemie, insbesondere der physikalischen Chemie, voraus. Ein starker Bezug besteht ebenfalls zur Physik, insbesondere der Optik. Natürlich ist die Elektronik von zentraler Bedeutung und tatsächlich müssen für viele Projekte kleinere elektronische Schaltungen gebaut werden, da kommerzielle Geräte für unsere Anwendungen oft nicht erhältlich sind.


Foto P. Eglin

Peter Hauser begann seine akademische Ausbildung am Technikum Winterthur anschliessend an eine Laborantenlehre. Nach Erlangung des Titels eines Masters of Science in Kanada promovierte er in Melbourne, Australien. Es folgten zwei Postdoc-Aufenthalte in der Schweiz. Danach war er Lecturer an der Universität von Auckland in Neuseeland, bis er 1996 nach Basel berufen wurde.


 
 

Chemie ? Physik ? Biologie ?...?

Wer den vorhergehenden Artikel gelesen hat, mag sich vielleicht fragen, ob nun ein Chemie- oder eher ein Elektronikstudium das richtige wäre, um analytische Geräte bauen zu können. Ähnlich werden wir oft gefragt, wie man in Basel Biochemie studieren könne, da dieses Fach nicht als Studiengang aufgeführt ist. Wie steht es denn überhaupt mit der naturwissenschaftlichen Spezialisierung? Muss man sich schon nach der Matura auf etwas festlegen, das man noch gar nicht kennt?

Obwohl die Spezialisierung in den Naturwissenschaften in der Tat zu einem babylonischen Sprachgewirr geführt hat, setzte in den letzten Jahren ein gewisser Gegentrend ein. Während schon lange unbestritten ist, dass ein Biologe gute Chemiekenntnisse braucht, gewinnt die Ansicht an Boden, dass eine gute Chemikerin auch Biologiekenntnisse benötigt, da die "Chemie des Lebens" immer bedeutender wird.

SWS = Semesterwochenstunden
(Anzahl Stunden pro Woche während eines Semesters)

Ein Studium der Naturwissenschaften - ob Biologie, Chemie oder Physik - führt über ein Grundstudium von etwa vier Jahren zum Diplom, wonach meist mit einer wissenschaftlichen Forschungsarbeit von drei bis vier Jahren Dauer der Doktorgrad erworben wird. Die Grundvorlesungen in Chemie werden - nebst einer Einführung - in die Gebiete "Anorganische", "Organische", "Physikalische" und "Analytische Chemie" unterteilt, obwohl eine scharfe Trennung zwischen diesen Gebieten nicht möglich ist. Alle Studierenden müssen obligatorisch die im Diagramm oben angegebenen Vorlesungsstunden besuchen. Es gibt also beispielsweise keine Spezialausbildung zum Analytiker oder zur Analytikerin! Ähnlich ist es in den Praktika. Eine gewisse Spezialisierung erfolgt auf theoretischer Seite einzig durch sogenannte Vertiefungsblöcke (14 SWS), die in den höheren Semestern aus einem grösseren Angebot frei gewählt werden können. Die chemischen Fächer werden schliesslich ergänzt durch obligatorische Vorlesungen in Mathematik und Physik im ersten Jahr, sowie durch ein Wahlfach, beispielsweise Biologie, Physik oder Betriebswissenschaften in den höheren Semestern. Die Ausbildung führt für alle zum gleichen Chemie-Diplom.

Ein Diplom erlaubt grundsätzlich eine Doktorarbeit in irgendeinem Fachbereich der Philosophisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät. Es kommt nun oft vor, dass jemand in ein angrenzendes, seltener auch in ein weiter entferntes Gebiet wechselt. Beispielsweise haben viele Doktorierende der Physikalischen Chemie ein Physikstudium absolviert, aber es gab auch schon Studierende mit einem Diplom in Mathematik oder Pharmazie. Andererseits wechseln Studierende der Chemie für die Doktorarbeit oft in die Biologie. Ein solcher Gebietswechsel bedeutet natürlich Zusatzarbeit im neuen Gebiet, um dort wenigstens teilweise aufzuholen, aber es bedeutet auch, dass man eigenes Wissen in ein Team einbringen kann, und dass man nachher eine breitere Grundlage besitzt, d.h. zum gesuchten "fächerübergreifenden Spezialisten" wird.

Während der Doktorarbeit setzt die Spezialisierung ein. Wer sich beispielsweise für eine Arbeit in analytischer Chemie entscheidet, wird es später schwierig haben, in ein organisch synthetisches Labor zu wechseln - oder umgekehrt. Kleinere Kurskorrekturen sind aber auch da noch möglich. Auch bleiben viele Optionen offen. Analytische Labors gibt es in der chemischen Gross- und Kleinindustrie, in den kantonalen Labors oder Lebensmittellabors von Grossverteilern, im Gewässerschutzamt, in Umweltämtern (z.B. Bodenanalytik), aber auch in Spitälern, wenn Sie nicht gar bei einem Hersteller von analytischen Geräten arbeiten wollen.

Nimmt man schliesslich noch zur Kenntnis, dass Absolventinnen und Absolventen unseres Departements auch in Banken (!), Hard- und Software- oder Consulting-Firmen anzutreffen sind, so muss man zum Schluss kommen, dass heute trotz Spezialisierung die naturwissenschaftliche Ausbildung - egal ob Physik, Biologie oder Chemie - eine breites Fundament im genauen analytischen Denken legt, das in den verschiedensten Berufen gesucht ist.



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