Neue Technologie macht Umweltschadstoffe messbar

An der TU Wien wurde nach jahrelanger Forschungsarbeit in Kooperation mit dem Spin-Off „Invisible-Light Labs“ eine wegweisende Messtechnik entwickelt, die Nanomembranen und Infrarotstrahlen kombiniert. Das nun marktreife System „EMILIE™“ ermöglicht den Nachweis von Umweltschadstoffen im Nano- oder Pikogrammbereich – ob als Feinstaub in der Luft oder als Nanopartikel im Wasser. Während herkömmliche Verfahren oft Tage oder Wochen beanspruchen, liefert diese Innovation präzise Ergebnisse innerhalb weniger Minuten und übertrifft bestehende Methoden damit um Größenordnungen.
Die Leistungsfähigkeit dieser Technologie wurde kürzlich in zwei wissenschaftlichen Publikationen untermauert. In „Science Advances“ die Analyse von Luft-Aerosolen, in „ACS Nano“ der Nachweis von Mikroplastik-Rückständen eines Nylon-Teebeutels im Wasser. „Nun haben wir den entscheidenden Schritt geschafft. Wir konnten zeigen, dass unsere Methode im praktischen Einsatz exzellente Ergebnisse liefert und deutlich bessere als andere Methoden.“

Durch unsichtbares Licht wird vieles sichtbar

„Prinzipiell kann man heute praktisch jede chemische Substanz in winzigen Spuren nachweisen“, sagt Silvan Schmid. „Man kann zum Beispiel eine Probe mit vielen unterschiedlichen Wellenlängen im Infrarotbereich bestrahlen. Unterschiedliche Moleküle reagieren auf unterschiedliche Wellenlängen – daran kann man erkennen, welche Moleküle in der Probe vorhanden sind.“ Trotz dieser Möglichkeiten gibt es technische Hürden, da für ein messbares Signal eine ausreichende Menge der Substanz nötig ist. Zudem können störende Bestandteile der Probe das Zielsignal überlagern und unsichtbar machen, vergleichbar mit dem Lärm eines Presslufthammers, der den Gesang eines Vogels übertönt.

Der Trick mit der Nanomembran

„Wir haben in den letzten Jahren aber eine Detektions-Methode entwickelt, die winzige Stoffmengen zuverlässig messbar macht“, sagt Silvan Schmid. Bei diesem Verfahren werden Partikel untersucht, die sich auf einer winzigen Membran anlagern und anschließend mit einem Infrarotstrahl beleuchtet werden. Da die Partikel bestimmte Wellenlängen besonders gut absorbieren, erwärmen sie sich zusammen mit der Membran, was deren Schwingungsverhalten minimal verändert. Vergleichbar mit einer Trommel, deren Klang je nach Temperatur leicht variiert, lassen sich diese feinen Unterschiede messen, um selbst kleinste Partikelmengen chemisch präzise zu identifizieren.

Grönlandluft

Bisher mussten für den Nachweis von Feinstaubpartikeln in der Luft spezielle Filter oft tage- oder wochenlang durchströmt werden, um eine ausreichende Probenmenge zu sammeln. Dank der neuen Membran-Technologie genügt nun eine deutlich geringere Partikelanzahl, was bereits nach 15 bis 45 Minuten zu einem Ergebnis führt. Diese drastische Verkürzung der Probenahme ermöglicht kostengünstige Feldstudien zur chemischen Zusammensetzung atmosphärischer Aerosole in unterschiedlichsten Umgebungen, von urbanen Zentren bis hin zu den Polarregionen.
Prof. Julia Schmale vom Extreme Environments Research Laboratory (EERL) der EPFL nutzt diese Methode bereits, um die klimatischen Einflüsse von Aerosolen in der Arktis und Antarktis zu erforschen.

Die Sensoren sind dabei so empfindlich und mobil, dass sie an Fesselballons befestigt werden können, um die vertikale Verteilung und chemische Beschaffenheit der Luftpartikel direkt in verschiedenen Höhenschichten zu untersuchen. „Dank der hohen Empfindlichkeit unserer Methode kann Julia Schmales Team die chemische Zusammensetzung von Partikeln mit hoher zeitlicher Auflösung untersuchen. Es ist nun gewissermaßen möglich, mithilfe von Fesselballons zu beobachten, wie sich die chemische Zusammensetzung von Aerosolpartikeln über sehr kurze Zeiträume verändert und wie sie sich vertikal an der Erdoberfläche und in der Höhe verteilen – etwas, das mit bisherigen Methoden praktisch unmöglich war“, erklärt Josiane P. Lafleur.

Hochpräzise Flüssigkeitsanalyse: Mikroplastik-Nachweis im Teetropfen

Die Technologie lässt sich ebenso erfolgreich auf Flüssigkeiten anwenden, wie die Forschungsgruppe von Silvan Schmid an der TU Wien demonstrierte. Bei der Analyse von lediglich 100 Nanolitern Teewasser – was etwa einem Tausendstel eines gewöhnlichen Tropfens entspricht – konnten neben Teepartikeln sogar Nylon-Rückstände des Teebeutels identifiziert werden. „Wir haben damit gezeigt, dass unsere Methode einen wichtigen Sprung nach vorne in der Umweltanalytik ermöglicht“, sagt Silvan Schmid. „In Zusammenarbeit mit Invisible-Light Labs wollen wir nun an der Kommerzialisierung dieser Technik weiterarbeiten und so hoffentlich einen Beitrag für wirksameren Umweltschutz leisten.“

Quelle

Technische Universität Wien (04/2026)