Door het promotiewerk van chemisch technoloog ir. Olaf Kievit zal het voor het eerst mogelijk zijn om in gassen met vaste of vloeibare deeltjes, aerosolen genaamd, tegelijkertijd de grootte en de samenstelling van de afzonderlijke deeltjes te bepalen.
Delen
Daarmee kunnen bronnen van vervuilers gemakkelijker worden opgespoord en kan de productie van aerosolen beter worden bewaakt.
Deeltjes die uit schoorstenen of uitlaten in de atmosfeer komen, kunnen als katalysator optreden in allerlei chemische reacties in de lucht. Daarnaast reflecteren zij straling en stimuleren ze de vorming van ijskristallen. Hierdoor spelen de deeltjes een belangrijke rol bij het broeikaseffect.
Lucht zit vol met deeltjes, zowel vloeibare als vaste. Deze deeltjes blijken doorgaans een grootte te hebben van rond de één miljoenste meter. Ze worden aerosoldeeltjes genoemd en samen met het gas waarin de deeltjes zitten, een aerosol. De aerosoldeeltjes vallen pas op, wanneer ze hinderlijk zijn. Bij mist zweven (vloeibare) waterdruppeltjes in de lucht en bij smog zweven onder andere (vaste) roetdeeltjes in de lucht, om van beide mogelijke suspensievormen een voorbeeld te geven.
Door de aandacht voor het milieu is de belangstelling voor aerosolen vergroot. Maar door dezelfde aandacht hebben zij ten onrechte een negatief imago gekregen. Want er zijn ook nuttige voorbeelden van aerosolen, zoals in de gezondheidszorg. Longpatiënten maken dankbaar gebruik van inhalers, waarbij medicamenten als aerosoldeeltjes diep in de longen kunnen komen om werkzaam te zijn op de plaats des onheils.
Kamer
Bij zo’n toepassing van aerosoltechnologie is het vanzelfsprekend belangrijk om te weten of de medicamentendeeltjes klein genoeg zijn om de juiste plaats te kunnen bereiken en of ze de juiste samenstelling hebben. En ook bij andere toepassingen wil men meer van de deeltjes weten. Bij de vervaardiging van chips in stofarme ruimtes kan een mogelijke deeltjesbron worden achterhaald. De deeltjes kunnen storingen geven in de te maken chips. Aan de hand van grootte en samenstelling van de deeltjes is na te gaan of de toename van deeltjes veroorzaakt wordt door een warmlopende pomp of doordat een persoon zonder bescherming de clean room is binnengelopen.
Door Kievits onderzoek, waarop hij op 2 mei hoopt te promoveren, is het voor het eerst mogelijk grootte en samenstelling van afzonderlijke deeltjes tegelijkertijd te meten. ,,Met de huidige commerciële apparatuur”, vertelt Kievit, ,,is het alleen mogelijk de hoeveelheid te tellen en een indruk te krijgen van de gemiddelde grootte van de deeltjes. De samenstelling ervan kun je pas achteraf meten, nadat een hoeveelheid stof verzameld is, bijvoorbeeld op een filter. Dat levert dus altijd gemiddeldes van een hoeveelheid materiaal en nooit informatie over afzonderlijke deeltjes. En dat doet het door onze vakgroep ontwikkelde apparaat nu juist wel.”
De kern van het apparaat bestaat uit drie achter elkaar geschakelde vacuümkamers, waardoor in drie stappen de luchtdruk met een factor miljard wordt verkleind. Door een kleine opening wordt het gas met de aerosoldeeltjes naar binnen gezogen. Het gas waaiert uit, maar de deeltjes zijn door hun massa trager en veranderen daardoor weinig van richting. Ze worden op die manier van het gas gesplitst en de volgende kamer ingezogen. Omdat de deeltjes nu in een gecontroleerde omgeving zijn samengebracht, zijn ze te onderzoeken. ,,Ze zijn er bovendien nog in vacuüm en dat is, niet echt toevallig, nodig voor de te gebruiken analysemethode, de massaspectometrie.”
Laser
Maar voordat de analyse plaatsvindt, moet er nog het een en ander gebeuren. Eerst wordt een laserstraal met laag vermogen gericht op de langsuizende deeltjesbundel, waarin de deeltjes inmiddels snelheden tussen vijftig en driehonderd meter per seconde hebben bereikt. De deeltjes verstrooien het laserlicht in verschillende richtingen en dat licht wordt opgevangen door een of meerdere detectoren.
,,Deze geven een signaal af en zien als het ware, wanneer er licht wordt verstrooid in andere richtingen dan de richting van de bundel en ook wanneer er minder licht in de bundelrichting wordt verstrooid, dan wanneer er geen deeltjes zouden zijn. Je weet daardoor of er een deeltje moet zijn en op die manier zijn de deeltjes te tellen.”
De grootte van het deeltje is niet direct uit de hoogte van het op de detector geregistreerde signaal af te leiden, maar wel uit de verhouding van de pieken op de verschillende detectoren. Kievit: ,,Dat komt doordat de laser niet over de gehele breedte van zijn straal dezelfde intensiteit afgeeft.”
,,De volgende stap is nu om op het moment dat er een deeltje wordt gesignaleerd, zodanig snel een tweede, hoogenergetische laserstraal op dat punt te richten, dat het deeltje nog nauwelijks bewogen heeft en dus door de laser getroffen wordt. Het gaat daarbij om een straal UV-licht, waardoor het deeltje uit elkaar valt. De brokstukken zijn moleculen, atomen of ionen, geladen deeltjes.”
Aan de geladen deeltjes wordt de eigenlijke analyse gedaan, zij kunnen door elektroden een bepaalde richting op worden gestuurd. De tijd die het ion er vervolgens over doet voordat een detector hem waarneemt, is een maat voor zijn massa, want zware brokstukken bewegen langzamer dan lichte. De verkregen tijdschaal kan derhalve direct worden omgezet in een massaschaal en die geeft informatie over de chemische samenstelling van de deeltjes.
Het mooie van de lasertechniek is volgens Kievit dat de intensiteit ervan te variëren is, waardoor de verbrokkeling van de deeltjes is te beïnvloeden. ,,Dat betekent dat je bij organische verbindingen kunt kiezen voor een niet al te hoge intensiteit, zodat de relatief grove brokstukken informatie geven over de oorspronkelijke structuur. Bij anorganische verbindingen ben je eerder geïnteresseerd in de bruto samenstelling en zul je aansturen op atomaire verbrokkeling en dus kiezen voor hoge intensiteit van de laser.”
Praktijk
De praktijk is zoals te doen gebruikelijk, minder mooi dan de theorie, want de interpretatie van de verkregen massaspectra is nog erg moeilijk. Proeven die Kievit deed met mengsels van zouten en met een organische verbinding als vitamine-C, geven al dusdanig ingewikkelde spectra, dat alleen van de kleinste brokstukken met zekerheid iets over de samenstelling te zeggen is. En dan wist men bij de experimenten nog welke deeltjes in de aerosol waren gestopt.
Hoe dan ook, de werking van het principe is aangetoond en dat is een belangrijke stap voor de vercommercialisering van de vinding. De ‘Stichting Technische Wetenschappen’, die vijfenhalf jaar geleden het projectvoorstel van Jan Marijnissen en Peter Verheijen een budget van meer dan een miljoen gulden waard vond, ziet er nog steeds heil in. Want ze heeft inmiddels een volgende promovendus te werk gesteld, een octrooiaanvraag gedaan en gaat samen met ‘Scheikunde Onderzoek Nederland’ het apparaat rijp maken voor industriële vervaardiging.
Door het promotiewerk van chemisch technoloog ir. Olaf Kievit zal het voor het eerst mogelijk zijn om in gassen met vaste of vloeibare deeltjes, aerosolen genaamd, tegelijkertijd de grootte en de samenstelling van de afzonderlijke deeltjes te bepalen. Daarmee kunnen bronnen van vervuilers gemakkelijker worden opgespoord en kan de productie van aerosolen beter worden bewaakt.
Deeltjes die uit schoorstenen of uitlaten in de atmosfeer komen, kunnen als katalysator optreden in allerlei chemische reacties in de lucht. Daarnaast reflecteren zij straling en stimuleren ze de vorming van ijskristallen. Hierdoor spelen de deeltjes een belangrijke rol bij het broeikaseffect.
Lucht zit vol met deeltjes, zowel vloeibare als vaste. Deze deeltjes blijken doorgaans een grootte te hebben van rond de één miljoenste meter. Ze worden aerosoldeeltjes genoemd en samen met het gas waarin de deeltjes zitten, een aerosol. De aerosoldeeltjes vallen pas op, wanneer ze hinderlijk zijn. Bij mist zweven (vloeibare) waterdruppeltjes in de lucht en bij smog zweven onder andere (vaste) roetdeeltjes in de lucht, om van beide mogelijke suspensievormen een voorbeeld te geven.
Door de aandacht voor het milieu is de belangstelling voor aerosolen vergroot. Maar door dezelfde aandacht hebben zij ten onrechte een negatief imago gekregen. Want er zijn ook nuttige voorbeelden van aerosolen, zoals in de gezondheidszorg. Longpatiënten maken dankbaar gebruik van inhalers, waarbij medicamenten als aerosoldeeltjes diep in de longen kunnen komen om werkzaam te zijn op de plaats des onheils.
Kamer
Bij zo’n toepassing van aerosoltechnologie is het vanzelfsprekend belangrijk om te weten of de medicamentendeeltjes klein genoeg zijn om de juiste plaats te kunnen bereiken en of ze de juiste samenstelling hebben. En ook bij andere toepassingen wil men meer van de deeltjes weten. Bij de vervaardiging van chips in stofarme ruimtes kan een mogelijke deeltjesbron worden achterhaald. De deeltjes kunnen storingen geven in de te maken chips. Aan de hand van grootte en samenstelling van de deeltjes is na te gaan of de toename van deeltjes veroorzaakt wordt door een warmlopende pomp of doordat een persoon zonder bescherming de clean room is binnengelopen.
Door Kievits onderzoek, waarop hij op 2 mei hoopt te promoveren, is het voor het eerst mogelijk grootte en samenstelling van afzonderlijke deeltjes tegelijkertijd te meten. ,,Met de huidige commerciële apparatuur”, vertelt Kievit, ,,is het alleen mogelijk de hoeveelheid te tellen en een indruk te krijgen van de gemiddelde grootte van de deeltjes. De samenstelling ervan kun je pas achteraf meten, nadat een hoeveelheid stof verzameld is, bijvoorbeeld op een filter. Dat levert dus altijd gemiddeldes van een hoeveelheid materiaal en nooit informatie over afzonderlijke deeltjes. En dat doet het door onze vakgroep ontwikkelde apparaat nu juist wel.”
De kern van het apparaat bestaat uit drie achter elkaar geschakelde vacuümkamers, waardoor in drie stappen de luchtdruk met een factor miljard wordt verkleind. Door een kleine opening wordt het gas met de aerosoldeeltjes naar binnen gezogen. Het gas waaiert uit, maar de deeltjes zijn door hun massa trager en veranderen daardoor weinig van richting. Ze worden op die manier van het gas gesplitst en de volgende kamer ingezogen. Omdat de deeltjes nu in een gecontroleerde omgeving zijn samengebracht, zijn ze te onderzoeken. ,,Ze zijn er bovendien nog in vacuüm en dat is, niet echt toevallig, nodig voor de te gebruiken analysemethode, de massaspectometrie.”
Laser
Maar voordat de analyse plaatsvindt, moet er nog het een en ander gebeuren. Eerst wordt een laserstraal met laag vermogen gericht op de langsuizende deeltjesbundel, waarin de deeltjes inmiddels snelheden tussen vijftig en driehonderd meter per seconde hebben bereikt. De deeltjes verstrooien het laserlicht in verschillende richtingen en dat licht wordt opgevangen door een of meerdere detectoren.
,,Deze geven een signaal af en zien als het ware, wanneer er licht wordt verstrooid in andere richtingen dan de richting van de bundel en ook wanneer er minder licht in de bundelrichting wordt verstrooid, dan wanneer er geen deeltjes zouden zijn. Je weet daardoor of er een deeltje moet zijn en op die manier zijn de deeltjes te tellen.”
De grootte van het deeltje is niet direct uit de hoogte van het op de detector geregistreerde signaal af te leiden, maar wel uit de verhouding van de pieken op de verschillende detectoren. Kievit: ,,Dat komt doordat de laser niet over de gehele breedte van zijn straal dezelfde intensiteit afgeeft.”
,,De volgende stap is nu om op het moment dat er een deeltje wordt gesignaleerd, zodanig snel een tweede, hoogenergetische laserstraal op dat punt te richten, dat het deeltje nog nauwelijks bewogen heeft en dus door de laser getroffen wordt. Het gaat daarbij om een straal UV-licht, waardoor het deeltje uit elkaar valt. De brokstukken zijn moleculen, atomen of ionen, geladen deeltjes.”
Aan de geladen deeltjes wordt de eigenlijke analyse gedaan, zij kunnen door elektroden een bepaalde richting op worden gestuurd. De tijd die het ion er vervolgens over doet voordat een detector hem waarneemt, is een maat voor zijn massa, want zware brokstukken bewegen langzamer dan lichte. De verkregen tijdschaal kan derhalve direct worden omgezet in een massaschaal en die geeft informatie over de chemische samenstelling van de deeltjes.
Het mooie van de lasertechniek is volgens Kievit dat de intensiteit ervan te variëren is, waardoor de verbrokkeling van de deeltjes is te beïnvloeden. ,,Dat betekent dat je bij organische verbindingen kunt kiezen voor een niet al te hoge intensiteit, zodat de relatief grove brokstukken informatie geven over de oorspronkelijke structuur. Bij anorganische verbindingen ben je eerder geïnteresseerd in de bruto samenstelling en zul je aansturen op atomaire verbrokkeling en dus kiezen voor hoge intensiteit van de laser.”
Praktijk
De praktijk is zoals te doen gebruikelijk, minder mooi dan de theorie, want de interpretatie van de verkregen massaspectra is nog erg moeilijk. Proeven die Kievit deed met mengsels van zouten en met een organische verbinding als vitamine-C, geven al dusdanig ingewikkelde spectra, dat alleen van de kleinste brokstukken met zekerheid iets over de samenstelling te zeggen is. En dan wist men bij de experimenten nog welke deeltjes in de aerosol waren gestopt.
Hoe dan ook, de werking van het principe is aangetoond en dat is een belangrijke stap voor de vercommercialisering van de vinding. De ‘Stichting Technische Wetenschappen’, die vijfenhalf jaar geleden het projectvoorstel van Jan Marijnissen en Peter Verheijen een budget van meer dan een miljoen gulden waard vond, ziet er nog steeds heil in. Want ze heeft inmiddels een volgende promovendus te werk gesteld, een octrooiaanvraag gedaan en gaat samen met ‘Scheikunde Onderzoek Nederland’ het apparaat rijp maken voor industriële vervaardiging.
Comments are closed.