NanoExpo – Nanobalancedetektor für personenbezogene Messungen von Nanopartikel-Expositionen
Die praxisgerechte Expositionsermittlung von nanoskaligen Aerosolen, die aus synthetischen Stoffen freigesetzt werden, erfordert eine neuartige Messtechnik, welche auf einfach zu bedienenden und robusten Sensoren basiert, die auch direkt nach dem Einschalten betriebsbereit sind. Zur Realisierung dieses Ansatzes musste ein Kompromiss zwischen Sensorperformance und Sensorpreis gefunden werden. Denn gegenwärtig sind geeignete Nanopartikel-Detektoren, mit denen kontinuierlich personenbezogene und mobile Messungen der Exposition am Arbeitsplatz mit synthetischen Nanopartikeln (NP) durchgeführt werden können, zu einem vertretbaren Preis von unter 500 € nicht erhältlich.
Im Verbundprojekt NanoExpo wurde „Cantor“, ein Cantilever Nanopartikel-Detektor, entwickelt, in dem eine mikrocontrollergesteuerte MEMS-Cantilever-Resonanzwaage mit einem elektrophoretischen Nanopartikel-Abscheider kombiniert wurden. Massekonzentrationen von Nanopartikeln werden hier bestimmt, was mit konventioneller Filtersammlung und Wägung nur unter großem Zeitaufwand möglich ist. Ein vorschaltbarer Membranfilter oder Impaktor stellt sicher, dass keine Mikropartikel in die Messzelle gelangen.
Nach Kalibrierung mit FMPS (engl. fast mobility particle sizer) wird für Kohlenstoff-Nanopartikel eine Messunsicherheit von weniger als ±15% im Messbereich von 0-50µg/m3 und eine Nachweisgrenze von 6,5µg/m3 erreicht. Die Sammelzeit pro Messpunkt beträgt 2,4min. Bei Schwankungen der Umgebungsbedingungen wie Temperatur (ΔT<1°C), Feuchte (ΔrF<10%), Druck (Δp<1kPa) bleibt die Messabweichung bei <15%. Der komplett integrierte Aufbau mit Luftansaugung, Steuer- und Ausleseelektronik sowie LCD-Anzeige wiegt weniger als 400g. Die Standzeit der Batterie übersteigt im Dauerbetrieb eine achtstündige Arbeitsschicht.
Besonders attraktiv ist der zu erwartende Gerätepreis: Am teuersten ist die mit MEMS-Technologie hergestellte Cantilever-Waage. Alle restlichen verbauten Komponenten sind Standardausführungen, so dass Bauteilkosten insgesamt bei 200 € liegen. Bei größerer Stückzahl ist ein deutlicher Preisnachlass zu erwarten.
In einer klimatisierten Messkammer wurden mit dem System „Cantor“ umfangreiche Tests mit Kohlenstoff-, TiO2– und SiO2-Aerosolen durchgeführt und auch Zigarettenrauch und E-Zigarettendampf in Laborräumen untersucht. Im Anschluss an die Untersuchungen lässt sich „Cantor“ einfach zerlegen und wieder regenerieren. Nach weiterer Optimierung der Cantilever-Waage und der Auswerteschaltung ist eine zügige Verbesserung der Kenndaten mit einer Nachweisgrenze unter 1 µg/m3, einer Sammelzeit von weniger als 1 min sowie Gewicht und Volumen der Messzelle zu erwarten.
