Mit Laserlicht dem Plastikmüll im Trinkwasser auf der Spur

21.06.2016 - Deutschland

Das kürzlich gestartete Verbundprojekt "OPTIMUS" entwickelt ein Analysegerät mit optischen Methoden wie der Ramanspektroskopie und der holografischen Mikroskopie zur ständigen Kontrolle von Wasserströmen.

Plastikmüll in Gewässern ist derzeit eines der wichtigsten und aktuellsten Forschungsthemen in der Wasseranalytik. Das kürzlich gestartete Forschungsprojekt OPTIMUS will Plastikmikropartikel in Trinkwasserströmen identifizieren und analysieren. Die insgesamt neun Partner des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projekts haben vor, ein innovatives Messsystem zu entwickeln, das mit optischen Methoden wie der Ramanspektroskopie und der holografischen Mikroskopie arbeitet. Hierdurch soll eine ständige Kontrolle erstmals ermöglicht werden.

Plastikteilchen an sich gelten als ungefährlich und dürfen laut Gesetz auch in Kosmetika enthalten sein, wirken im Wasser aber wie Sammler für Schadstoffe. Diese können sowohl gefährliche und toxische organische Schadstoffe wie PCB, Dioxine und Insektizide als auch Schwermetalle (z.B. Arsen und Blei) sein. Mikroplastikpartikel und ihnen anhaftende Verunreinigungen sind mittlerweile in der Umwelt allgegenwärtig. Sie werden weltweit im Meerwasser genauso gefunden wie in Flüssen und Seen.

Auch im Trinkwasser und in trinkwasserbasierten Produkten wie Bier und Limonaden finden sich in zunehmend besorgniserregendem Maße Mikroplastikteilchen. Mikroplastik fasst dabei als Oberbegriff die Partikel unterschiedlichster Formen, Größen und Materialien zusammen. Dies macht Mikroplastik im Gegensatz zu natürlich auftretenden Sedimenten zu einer Herausforderung für etablierte Nachweis- und Reinigungsverfahren.

Verbesserter Arsennachweis in Wasser, Lebensmitteln und Boden

Sensor kann den globalen Gehalt und die Form arsenhaltiger Moleküle bei sehr niedrigen Konzentrationen identifizieren

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Die derzeitigen Verfahren zum Nachweis und zur Identifikation von Mikroplastik erlauben bisher nur Stichproben und sind zur ständigen Kontrolle des Wassers auf Mikroplastik eher ungeeignet. Die dem Mikroplastik anhaftenden ökotoxischen Spurenstoffe können aufgrund ihrer geringen Konzentrationen nur durch aufwändige chemische Laboruntersuchungen nachgewiesen werden.

Die Verbundpartner von OPTIMUS entwickeln ein Gerät, das eine ständige Kontrolle von Trinkwasserströmen auf Plastikmikropartikel ermöglicht. Die einzelnen Partner entwickeln Teile des Geräts, für die sie exzellentes spezielles Know-How haben. So muss die für die fortschrittliche Ramanspektroskopie benötigte Laserquelle entwickelt werden. Sie stellt technisch in ihren Leistungsdaten eine innovative und anspruchsvolle Erweiterung dar. Der Dauereinsatz des Geräts und die automatische Echtzeitanalyse der Mikroplastikteilchen sind wichtige Kriterien für das Gesamtsystem.

Das OPTIMUS-Projekt wurde am 1. März 2016 in den Räumen des Uni-Hauptgebäudes im Senatssaal des Welfenschloss gemeinsam mit allen beteiligten Partnern und dem Projektträger gestartet. Der Förderungszeitraum beträgt drei Jahre und wird mit insgesamt 1,26 Millionen Euro im Rahmen der Bekanntmachung „Vor-Ort-Analytik mit photonischen Verfahren für den Einsatz in den Lebenswissenschaften“ im Programm „Photonik Forschung Deutschland“ vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert. Zuständiger Projektträger im Auftrag des BMBF ist die VDI Technologiezentrum GmbH. Das Konsortium setzt sich aus einem Institut und einem Forschungszentrum der Leibniz Universität Hannover, drei assoziierten Partnern und vier privaten Firmen zusammen.

Das Konsortium

Universitäts-Institute und -Zentren

Das Institut für Quantenoptik der Leibniz Universität Hannover deckt die Forschung an der für den Demonstrator notwendigen Laserquelle, einem nichtkollinear optisch-parametrischen Oszillator (NOPO), ab. Dieses Teilprojekt legt somit die experimentellen Grundlagen für den Nachweis von Mikroplastik mittels stimulierter Ramanspektroskopie, einer analytunabhängigen, hochsensitiven aber für die Anwendung noch nicht etablierten Methode.
Das Hannoversche Zentrum für Optische Technologien der Leibniz Universität Hannover untersucht die Grundlagen für den Nachweis der Mikroplastiken mittels konfokaler und resonanter Ramanspektroskopie basierend auf einem optofluidischen System und erstellt eine Datenbank für die Online-Identifizierung der Mikroplastiken in der Anwendung.

Firmenpartner

Die VENTEON Laser Technologies GmbH, Hannover, erforscht das neuartige NOPO-System mit dem Ziel, sehr hohe Ausgangsleistungen zu erzeugen und einen stabilen Langzeitbetrieb zu gewährleisten.
Die TEM Messtechnik GmbH, Hannover, wird eine Methode erforschen, den NOPO elektronisch zu steuern und Möglichkeiten erproben, wie das komplexe Lasersystem für einfach bedienbar wird.
Die Firma -4H- JENA engineering beschäftigt sich innerhalb des Projekts mit dem Thema Mikrofluidik, Antifouling und Separierung von Teilchen im Geräteflusssystem. -4H- JENA wird auch den ersten Modellaufbau (den Demonstrator) zusammenstellen.
Die Firma bbe Moldaenke, Kiel übernimmt die Automatisierung der Objekterkennung durch Volumen-Mikroskopie und computergestützte Erkennung der mikroskopischen Bilder („digitale holografische Mikroskopie“). Die Projektkoordination des Verbundprojekts OPTIMUS liegt bei bbe Moldaenke.

OPTIMUS wird von drei assoziierten Firmen und Institutionen projektbegleitend unterstützt, die bei der Anwendung des zu entwickelnden Gerätes ihre praktischen Erfahrungen beitragen und Tests am und mit dem Demonstrator durchführen werden.