Industrie & Technik

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<p>Auf der Suche nach einem für Analyten schonenden Ionisationsverfahren kamen die Wissenschaftler um Joachim Franzke am Leibniz-Institut für Analytische Wissenschaften in Dortmund (Isas) zur dielektrisch behinderten Entladung (dielectric barrier discharge, DBD) und erzeugen damit nichtthermische Plasmen (Abbildung 1). In nichtthermischen Plasmen sind nur die leichten Elektronen heiß. Ionen und Neutralgas können nahezu auf Raumtemperatur bleiben.</p><figure><img src="https://media.graphcms.com/rNcpeEpTdJSCxStjA0AI"><figcaption><label>Abb. 1: </label>Ein kaltes Plasma kann man mit dem Finger berühren, ohne sich zu verbrennen.</figcaption></figure>
<p>Grundsätzlich funktioniert die dielektrisch behinderte Entladung mit zwei Glasplatten, die im Abstand von einem Millimeter das Dielektrikum bilden, im Innenraum ist ein Gas und auf den äußeren Seiten je eine Elektrode. Bei Anlegen von Wechselspannung entsteht zwischen den Glasplatten ein Plasma – ohne Kontakt zwischen den Elektroden und dem anzuregenden Gas.</p><p>Dieses kalte Plasma testeten die Wissenschaftler am Kühlmittel Freon und wiesen mit Atomabsorptionsspektroskopie Chlor und Fluor nach. Das Freon wurde mit dem Plasmagas Helium durch die Glasplatten geführt und im Plasma in seine Elementbestandteile zerlegt. Obwohl das Plasma bei geringem Druck betrieben wurde, reichte es aus, die Moleküle zu spalten.</p><h2>Das Plasma kontrollieren, die Ergebnisse reproduzieren</h2><p>Im nächsten Schritt sollten Moleküle massenspektrometrisch bestimmt werden, und dabei vor allem solche, bei denen Ionisierungsverfahren wie ESI (electron spray ionization) und APCI (atmospheric pressure chemical ionization, Koronaentladung) nicht oder nur schlecht funktionieren.</p><p>Statt des Aufbaus mit den Glasplatten nutzten die Dortmunder Wissenschaftler eine dünne gasdurchströmte Glaskapillare (zum Beispiel eine medizinische Kanüle aus Quarzglas) und zwei ringförmige Elektroden mit einem Abstand von 1 cm. Anders als die häufig verwendete Sinusspannung wählten die Isas-Forscher eine Rechteckspannung. Die Sinusspannung sei zwar leichter zu erzeugen, erläutert Franzke, „kann aber zu vielen Plasmazündungen führen“, und die lassen sich schwer kontrollieren, zumal die in das Gas eingekoppelte elektrische Leistung nicht proportional zur angelegten Spannung ist. Die Ergebnisse sind vielfach nicht reproduzierbar. Bei einer Rechteckspannung gibt es pro Rechteck genau eine Zündung, und die Stärke ist über den Spannungsregler einstellbar.</p><p>Neben dem Plasma in der Kapillare war ein weiteres an ihrem Ausgang messbar. Zunächst nahmen die Forscher an, dass Plasma nach außen getragen würde. „Tatsächlich fanden wir aber“, so sagt Franzke, „dass unter bestimmten geometrischen Bedingungen das äußere vor dem inneren Plasma entsteht.“ Es handelt sich um zwei voneinander entkoppelte Plasmen. Sowohl außerhalb als auch innerhalb der Kapillare entstehen jeweils mehrere Plasmen (plasma jet, early plasma, coincident plasma, afterglow), weiche wie härtere.</p><p>Die Proben werden ins weiche äußere Plasma (plasma jet) eingebracht, das den Analyten ionisiert, anschließend wird er im Massenspektrometer detektiert. Das für die weiche Ionisierung unerwünschte härtere, dissozierende, Plasma wird abgeschnitten. Dazu wird beim positiven Halbzyklus der Rechteckspannung die Spannung zu Gunsten der negativen verringert, sodass kein dissoziatives Plasma zündet.</p><p>Als Gas dient üblicherweise Helium, weil damit die Spannungen niedriger sein können als die mit Argon. Allerdings sind im Heliumplasma nicht die Heliumionen die aktiven Spezies, sondern die sekundär gebildeten N<sub>2</sub><sup>+</sup>-Ionen aus zirka 3 ppm Stickstoffverunreinigungen. Analog zum Helium-Stickstoff-System hat das Isas ein Argon-Propan-System entwickelt, das bei 2,5 bis 3 kV zündet statt bei 7 kV.</p><h2>Pestizide und Drogen</h2><p>Die Charakterisierung der unterschiedlichen Plasmen ergab: Heliumplasma ist homogen und eignet sich für weiche Ionisierung kleiner Moleküle; Argonplasma (nicht das Argon-Propan-System) ist dagegen filamentär und zeigt viele Mikroentladungen.</p><p>Wissenschaftler an der ETH Zürich zünden ein kreisförmiges Plasma im filamentären Modus in Luft und schicken den Analyten nicht durchs Plasma hindurch, sondern daran vorbei, „wie einen Löwen, der durch einen brennenden Reifen springt“, berichtet Franzke.</p><p>Ein anderes filamentäres Plasma, auch basierend auf einer dielektrisch behinderten Entladung, der Low Temperature Probe (LTP), eignet sich besonders dazu, Pflanzenoberflächen auf Pestizide oder Dollarnoten auf Kokain zu analysieren: Ein und dasselbe Plasma desorbiert den Analyten zunächst von der Oberfläche und ionisiert ihn anschließend. Alternativ dazu kann – wie am Isas – ein Laser die Desorption übernehmen, und der Analyt wird im Heliumplasma-Jet ionisiert. Wenn beide Schritte, Desorption und Ionisierung, entkoppelt sind, lassen sie sich unabhängig voneinander optimal einstellen.</p><p>Außer für ein Massenspektrometer kann das DBD-Plasma auch als Ionisierungsquelle für die Ionenmobilitätsspektrometrie dienen, hier als Alternative zur Ionisierung mit radioaktiver Strahlung.</p><p>Isas und TU Dortmund haben einen Cannabis-Analysator für die Polizei entworfen, der das weiche Plasma für die Ionisierung nutzt, aber ohne Helium, sondern mit Stickstoff aus der Luft funktioniert. Den Prototypen hat nun Ion-Gas gebaut, eine Ausgründung aus TU und Forschungsinstitut. Der Analysator ist so groß wie ein Reisekoffer; im Testeinsatz prüft die Polizei damit die Atemluft von Autofahrern – ähnlich wie bei einem Alkoholtest. Eine Erweiterung des Verfahrens auf andere Rauschmittel ist denkbar.</p><p>Ist bei der DBD-Plasmaquelle eine der Elektroden als Nadel im Inneren der Kapillare statt als Ring ausgeführt, so lässt sich das Plasma wahlweise räumlich begrenzen oder auf die gesamte Kapillare ausdehnen und auch durch bewegliche Schläuche leiten (flexible tube µ-Plasma, Abbildung 2). So ist dieses Vario-Plasma direkt vor dem Einlass von MS- und IMS-Geräten einsetzbar.</p><figure><img src="https://media.graphcms.com/LLd6SHcvSYuuOqur4zeu"><figcaption><label>Abb. 2: </label>µ-Plasma in einem Schlauch vor dem Einlass eines Massenspektrometers. Das Plasma lässt sich räumlich begrenzen oder auf die gesamte Kapillare ausdehnen.</figcaption></figure>
<h2>Perfluoriert oder toxisch</h2><p>Joachim Franzke hält die DBE-Plasmaquelle, wie sie das Isas entwickelt hat, als Ionisierungstechnik für mindestens genauso gut wie die APCI. Während ESI große und kleine polare Moleküle und APCI kleinere unpolare Moleküle erfasst, schafft das DBD-Plasma alle kleinen Moleküle auf einmal.</p><p>Ein Beispiel sind perfluorierte Substanzen in Walfett. Hier ließen sich bisher nur perfluorierte Säuren nachweisen. Franzke nennt als weiteres Anwendungsgebiet Outdoor-Kleidung, deren Oberfläche aufgrund der Imprägnierung mit perfluorierten Substanzen sowohl wasser- als auch fettabweisend ist. Die perfluorierten Substanzen werden nach gaschromatographischer Trennung mit einem weichen DBD-Plasma ionisiert. Dabei entstehen vor allem negativ geladene sauerstoffhaltige Ionen, die das Massenspektrometer detektiert.</p><p>Wenn es darum geht, Elemente mit Optischer Emissionsspektroskopie (OES) nachzuweisen, lässt sich ebenfalls DBD-Plasma einsetzten, etwa für drei- und fünfwertiges Arsen in Reis und Fisch.</p><p>3-D-gedruckte Ionenquellen sowie einem höherer Automatisierungsgrad sollen in Zukunft Reproduzierbarkeit und Robustheit des des DBD-Plasmas verbessern.</p><p>Christian Ehrensberger ist freier Mitarbeiter der Nachrichten aus der Chemie.</p>
<ul><h2>Literatur zum Weiterlesen steht unter:</h2><li>
<sup>1 </sup><ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://www.nachrichtenausderchemie.de/" target="_blank">www.nachrichtenausderchemie.de/</a> downloads</ext-link></li></ul>


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Bildung & Gesellschaft

<h2>Weniger Abiturienten, mehr Studierende ohne Abitur</h2><p>Im letzten Jahr haben 440 000 Schüler eine Studienzugangsberechtigung erworben, das sind 3 % weniger als im Vorjahr. Im Vergleich zum Jahr 2007 waren es 1 % mehr. 78 % erwarben die allgemeine Hochschulreife, 22 % die fachgebundene Hochschulreife. 53 % aller Absolventen waren weiblich.</p><p>Parallel dazu hat die Zahl der Studierenden ohne allgemeine oder fachbezogene Hochschulreife zugenommen: Im Wintersemester 2016/2017 waren 56 891 Studenten eingeschrieben, die aufgrund beruflicher Qualifikationen oder nach Zusatzprüfungen eine Hochschule besuchen dürfen, 11 % mehr als im vorangegangenen Studienjahr. Der Anteil der Nichtabiturienten unter den Studenten liegt nun bei 2 %.</p><p><ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://www.destatis.de" target="_blank">www.destatis.de</a></ext-link></p><h2>Gesucht: Fortschritte in den Biowissenschaften</h2><p>Der Forschungspreis des Pharmakonzerns Sanofi und des Institut Pasteur zeichnet zwei Wissenschaftler aus, die als leitende Forscher in Immunologie oder in Mikro- und Infektionsbiologie veröffentlicht haben. Die Auszeichnung ist mit 200 000 Euro dotiert, die Mid-Career-Auszeichnung für Forscher bis 52 Jahre mit 150 000 Euro. Die Bewerbungsfrist endet am 25. Juni.</p><p><ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://www.sanofi-institutpasteur-awards.com" target="_blank">www.sanofi-institutpasteur-awards.com</a></ext-link></p><h2>Börsengang von Springer Nature platzt</h2><p>Der Großverlag Springer Nature geht später an die Börse als geplant, wenn überhaupt. Die Eigentümer des Großverlags, der Finanzinvestor BC Partners und die Holtzbrinck Publishing Group, sagten den für Anfang Mai geplanten Börsengang ab, weil die Nachfrage nach den Aktien zu gering war. Der Börsengang sollte 1,2 Mrd. Euro einbringen.</p><h2>Neuer Masterstudiengang Materials Science and Engineering</h2><p>Mit der Physik und Chemie neuer Materialien befassen sich ab dem Wintersemester Studenten an der Fachhochschule Münster in einem neu eingerichteten, englischsprachigen Studiengang. Voraussetzung ist ein Bachelorabschluss in Chemie, Physik oder einem verwandten Fach.</p><p><ext-link ext-link-type="uri">www.fhms/materials-science</ext-link></p><h2>Preise für Wissenschaftlerinnen und ihre Unterstützer</h2><p>Die Zeitschrift Nature schreibt zwei Preise aus: den Inspiring Science Award und den Innovating Science Award.</p><p>Der Inspiring Science Award zeichnet eine Wissenschaftlerin aus, die ihre Doktorarbeit vor nicht länger als zehn Jahren abgeschlossen hat, Mutterschutzzeiten und sonstige Auszeiten nicht einberechnet. Die Preisträgerin erhält 10 000 US-Dollar sowie bis zu 5200 US-Dollar, um ihre Forschungsergebnisse open access zu veröffentlichen.</p><p>Der Innovating Science Award geht an eine Initiative, die bei Mädchen und jungen Frauen weltweit das Interesse an und den Zugang zu Naturwissenschaften und Technik fördert. Die Preisträger erhalten bis zu 5200 US-Dollar, um ihre Initiative bekannt zu machen.</p><p>Forschungsinstitutionen können noch bis zum 11. Juni Vorschläge einreichen. Um den Inspiring Science Award können sich Kandidaten auch selbst bewerben.</p><p><ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://nature.com/researchawards" target="_blank">nature.com/researchawards</a></ext-link></p><h2>Preis für Lehre</h2><p>Der Ars-legendi-Preis zeichnet in diesem Jahr Hochschullehrer aus, die sich durch gute Prüfungsdidaktik hervorheben oder der akademischen Prüfungspraxis Impulse verliehen haben. Noch bis zum 29. Juni können sich Wissenschaftler oder Dozententeams um den Preis bewerben oder Kollegen vorschlagen. Der Gewinner erhält 50 000 Euro von Stifterverband und Hochschulrektorenkonferenz.</p><p><ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://www.ars-legendi-preis.de" target="_blank">www.ars-legendi-preis.de</a></ext-link></p><h2>Deutsche Studenten im Ausland</h2><p>137 700 Deutsche waren – nach einer 2017 veröffentlichten Erhebung des statistischen Bundesamts – im Jahr 2015 an Hochschulen im Ausland eingeschrieben, das waren etwas mehr als in den Vorjahren (Grafik). 14 504 von ihnen, knapp 11 %, studierten eine Naturwissenschaft oder Mathematik, im Inland lag der Anteil bei nahezu 19 %.</p><p>An erster Stelle der beliebtesten Zielländer der Auslandsstudenten steht Österreich; bei Naturwissenschaftlern kommt das Vereinigte Königreich an zweiter Stelle, wo 2640 Mathematiker und Naturwissenschaftler studierten (1112 weniger als in Österreich), gefolgt von der Schweiz mit 2400 Mathematik- und Naturwissenschaftsstudenten. Bei Ingenieuren steht die Schweiz an zweiter Stelle.</p><p><a href="https://www.destatis.de/DE/Publikationen/Thematisch/BildungForschungKultur/Hochschulen/StudierendeAusland.html" target="_blank">www.destatis.de/DE/Publikationen/Thematisch/BildungForschungKultur/Hochschulen/StudierendeAusland.html</a></p>

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