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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Nachweisen von in einem Aerosol schwebenden Kohlenstoffnanoröhren gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs sowie ein entsprechendes System zum Nachweisen von in einem Aerosol schwebenden Kohlenstoffnanoröhre gemäß dem Oberbegriff des Nebenanspruchs.
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Kohlenstoffnanoröhren (im Folgenden auch als CNTs oder CNT-Partikel bezeichnet) haben in den letzten Jahren aufgrund ihrer vielfältigen Eigenschaften in der Forschung und in der Industrie ein großes Interesse hervorgerufen und werden weltweit im Tonnenmaßstab hergestellt. Allerdings haben verschiedene Untersuchungen Anlass zur Sorge gegeben, dass Kohlenstoffnanoröhren gesundheitliche Risiken bergen könnten, insbesondere nach einer Inhalation luftgetragener Kohlenstoffnanoröhren. Luftgetragene Kohlenstoffnanoröhren können unterschiedliche Formen annehmen und beispielsweise als isolierte Fasern, Faserbündel, große Agglomerate sowie Mischungen hiervon vorliegen.
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Zum Nachweisen von Kohlenstoffnanoröhren werden bekanntermaßen mikroskopische aber auch spektroskopische Verfahren verwendet, vgl. Dresselhaus, M. S., et al., „Raman Spectroscopy in Graphene Related Systems”, Weinheim: Wiley-VCH, 2011. Ein zuverlässiger Nachweis von Kohlenstoffnanoröhren setzt jedoch meistens voraus, dass diese Partikel auf einer geeigneten Oberfläche abgelagert sind. Zu diesem Zweck ist es beispielsweise bekannt, Kohlenstoffnanoröhren aus der Luft mittels Filtermedien herauszufiltern und anschließend das verwendete Filtermedium spektroskopisch oder mikroskopisch zu untersuchen. Außerdem ist es bekannt, Oberflächen durch Impaktion mit den luftgetragenen Kohlenstoffnanoröhren zu belegen und anschließend spektroskopisch zu analysieren, vgl. Keller, Markus, et al., „Monitoring method for carbon nanotubes (CNT): Personal sampler and corresponding reading device” [Buchverf.] Heinz Kück; Proceedings of the 4M 2011, 8th International Conference an Multi-Material Micro Manufacture, 4M Association. Singapore: Research Publishing, 2011.
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Die veröffentlichte US-Patentanmeldung US 2007/0258880 A1 betrifft ein Verfahren zum Trennen, Konzentrieren oder Reinigen von Kohlenstoffnanoröhren. Im Absatz [0120] wird eine Ausführungsform angesprochen, nach der es möglich ist, den Einfluss eines Magnetfeldes auf Kohlenstoffnanoröhren, auf denen Metallpartikel abgelagert wurden, Raman-spektroskopisch zu untersuchen.
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Bei den bekannten Nachweisverfahren besteht jedoch die Schwierigkeit, dass luftgetragene Kohlenstoffnanoröhren nicht selektiv auf einem Filtermedium oder einer Oberfläche abgelagert werden können, so dass neben den Kohlenstoffnanoröhren auch andere Partikel abgelagert werden, die zu falsch-positiven Ergebnissen führen können. Selbst bei einer spektroskopischen Analyse können falsch-positive Ergebnisse nicht ausgeschlossen werden, da sich beispielsweise Graphen in seinen spektrlen Eigenschaften nur schwach von Kohlenstoffnanoröhren unterscheidet.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein möglichst zuverlässiges und genaues Verfahren zum Nachweisen von in einem Aerosol schwebenden Kohlenstoffnanoröhren vorzuschlagen. Außerdem soll ein entsprechendes System vorgeschlagen werden, mit dem sich in einem Aerosol schwebende Kohlenstoffnanoröhren möglichst sicher und zuverlässig nachweisen lassen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren gemäß dem Hauptanspruch sowie durch ein System gemäß dem Nebenanspruch. Spezielle Ausführungsformen und Weiterentwicklungen sind Gegenstände der abhängigen Ansprüche.
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Bei dem hier vorgeschlagenen Verfahren zum Nachweisen von in einem Aerosol schwebenden Kohlenstoffnanoröhren werden die Kohlenstoffnanoröhren aus dem Aerosol auf einer Oberfläche abgelagert und die auf der Oberfläche abgelagerten Kohlenstoffnanoröhren mittels einer Analyseeinheit nachgewiesen.
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Dabei wird mittels einer Magneteinheit ein Magnetfeld erzeugt und die Kohlenstoffnanoröhren aus dem Aerosol durch eine magnetische Wechselwirkung zwischen den Kohlenstoffnanoröhren und dem Magnetfeld auf die genannte Oberfläche abgeschieden. Die Magneteinheit ist somit ein Mittel zum Beschleunigen des Ablagerns der Kohlenstoffnanoröhren auf der genannten Oberfläche. Hierbei wird ausgenutzt, dass Kohlenstoffnanoröhren, obwohl sie hauptsächlich oder sogar fast ausschließlich aus Kohlenstoffatomen bestehen, neben den Kohlenstoffatomen typischerweise auch magnetische bzw. ferro-magnetische Bestandteile aufweisen, deren Wechselwirkung mit einem Magnetfeld so stark ist, dass sie für eine effektive und effiziente magnetische Abscheidung der Kohlenstoffnanoröhren genutzt werden kann. Die Wechselwirkung der Kohlenstoffatome mit dem Magnetfeld ist dahingegen so schwach, dass eine magnetische Abscheidung der Kohlenstoffnanoröhren ausschließlich über eine magentische Wechselwirkung mit den Kohlenstoffatomen in den Kohlenstoffnanoröhren für einen sicheren Nachweis der Kohlenstoffnanoröhren nicht geeignet wäre.
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Der Erfindung liegt also die Idee zugrunde, die Kohlenstoffnanoröhren über die Wechselwirkung zwischen dem Magnetfeld und den magnetischen bzw. ferromagnetischen Bestandteilen der CNTs in Richtung der genannten Oberfläche zu beschleunigen und auf diese Weise selektiv die Abscheiderate der Kohlenstoffnanoröhren stark zu vergrößern, so dass auf der genannten Oberfläche ausschließlich oder zumindest hauptsächlich diese magnetisch wechselwirkenden Kohlenstoffnanoröhren abgeschieden werden und kaum andere, nicht-magnetische Partikel. Typischerweise sind in der Luft keine oder nur wenige andere vergleichbar stark magnetisch wechselwirkende und hauptsächlich oder fast ausschließlich aus Kohlenstoff bestehende Partikel vorhanden, so dass die Gefahr eines falsch-positiven Ergebnisses stark reduziert wird. Insbesondere werden auf diese Weise praktische keine Graphen-Partikel auf der Oberfläche abgeschieden, so dass insbesondere auch die Gefahr eines falsch-positiven Nachweises aufgrund von Graphen-Partikel stark minimiert werden kann.
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Das hier vorgeschlagene Verfahren macht sich also die Tatsache zunutze, dass in den meisten Verfahren (wie etwa der Lichtbogenentladung, Laserablation oder chemische Gasphasenabscheidung) zum Herstellen von Kohlenstoffnanoröhren magnetische bzw. ferromagnetische Partikel als sogenannte Kondensationskerne verwendet werden, auf denen die Kohlenstoffnanoröhren typischerweise aufwachsen. Diese magnetischen bzw. ferromagnetischen Partikel, die beispielsweise durch Eisen-, Nickel-, oder Kobaltpartikel gegeben sein können, bilden schließlich die oben genannten magnetischen bzw. ferromagnetischen Bestandteile der Kohlenstoffnanoröhren. Obwohl in jeder mit diesem Verfahren nachweisbaren Kohlenstoffnanoröhre typischerweise jeweils nur wenige solcher magnetischer bzw. ferromagnetischer Partikel (wie etwa die genannten Kondensationskerne) enthalten sind, kann dennoch eine effektive magnetische Abscheidung der CNTs auf der Oberfläche erzielt werden. Typischerweise stellen die magnetischen bzw. ferromagnetischen Partikel eines CNT einen Massenanteil von weniger als 5% (Gewichtsprozent) des CNT dar.
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Das hier vorgeschlagene System zum Nachweisen von in einem Aerosol schwebenden Kohlenstoffnanoröhren ist zum Durchführen des hier vorgeschlagenen Verfahrens ausgestaltet und umfasst demnach eine Oberfläche, die ausgestaltet ist, ein Ablagern der in dem Aerosol schwebenden Kohlenstoffnanoröhren auf der Oberfläche zu ermöglichen und eine Analyseeinheit, die eingerichtet ist, auf der Oberfläche abgelagerte Kohlenstoffnanoröhren nachzuweisen. Entsprechend dem hier vorgeschlagenen Verfahren umfasst das System außerdem eine Magneteinheit, die eingerichtet ist, ein Magnetfeld zu erzeugen und mittels einer magnetischen Wechselwirkung zwischen den Kohlenstoffnanoröhren und dem Magnetfeld die Kohlenstoffnanoröhren auf dem Aerosol auf die genannte Oberfläche abzuscheiden.
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Im Folgenden werden spezielle Ausführungsformen und Weiterentwicklungen sowohl des hier vorgeschlagenen Verfahrens wie auch des genannten Systems beschrieben. Das hier beschriebene Verfahren kann in all seinen Ausführungsformen durch entsprechende Ausführungsformen des hier vorgeschlagenen Systems durchgeführt werden. Somit lassen sich alle Merkmale und Verfahrensschritte, die im Folgenden nur im Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben werden, ohne weiteres auch auf das System übertragen und mit dem System durchführen. Umgekehrt lassen sich auch alle beschriebenen Merkmale des Systems auf das Verfahren übertragen.
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Vorzugsweise wird mittels der genannten Analyseeinheit, die, wie unten weiter beschrieben wird, typischerweise eine optische Analyseeinheit ist, eine Stoffmenge der auf der Oberfläche abgeschiedenen Kohlenstoffnanoröhren ermittelt und in Abhängigkeit von dieser Stoffmenge (sowie ggf. in Abhängigkeit eines Volumens des untersuchten Aerosols) eine Konzentration der Kohlenstoffnanoröhren im Aerosol ermittelt. Ferner ist es möglich, dass das Magnetfeld mittels der Magneteinheit auf eine vorgegebene Feldstärke eingestellt und das diese Feldstärke variiert wird, beispielsweise um die Abscheiderate der Kohlenstoffröhren zu optimieren, beispielsweise wie weiter unten beschreiben wird.
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Die Konzentration der Kohlenstoffnanoröhren in dem Aerosol wird dabei typischerweise unter Berücksichtigung dieser Feldstärke ermittelt. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass unter Berücksichtigung dieser Feldstärke und/oder einer Strömungsgeschwindigkeit bzw. eines Volumenstroms des Aerosols entlang der genannten Oberfläche eine Abscheiderate der Kohlenstoffnanoröhren auf der Oberfläche oder eine mit der Abscheiderate korrelierte Größe ermittelt wird, um diese Abscheiderate bzw. die mit ihr korrelierte Größe bei dem Ermitteln der Konzentration der Kohlenstoffnanoröhren im Aerosol zu berücksichtigen.
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Durch ein Variieren der Feldstärke Ist es außerdem möglich, verschiedene mögliche Erscheinungsformen der CNTs (Agglomerate verschiedener Größe, Faserbündel, geometrische Gestalt der Fasern, ...) unter Ausnutzung ihrer unterschiedlichen Flugeigenschaften in einem mit dem Magnetfeld durchsetzten Aerosolstrom entlang der Oberfläche selektiv abzuscheiden und messtechnisch zu erfassen. Größere Agglomerate mit mehreren magnetisierbaren Kondensationskernen erfahren zum einen eine stärkere Anziehungskraft zum Magneten, zum anderen verhalten diese Partikel sich im Aerosolstrom träger. Das Wechselspiel der Parameter Trägheit im Aerosolstrom (bzw. Volumenstrom entlang der Oberfläche) und magnetische Kraft auf das CNT-Partikel kann somit für eine selektive Abscheidung von luftgetragenen CNT-Partikeln unterschiedlicher Erscheinungsformen ausgenutzt werden.
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Die genannte Stoffmenge kann beispielsweise als Masse und/oder Teilchenzahl der auf der Oberfläche abgeschiedenen Kohlenstoffnanoröhren, eventuell basierend auf einer entsprechenden vorangegangenen Kalibrierung, ermittelt werden. Die Konzentration der Kohlenstoffnanoröhren kann entsprechend beispielsweise als Quotient aus Stoffmenge (Masse bzw. Teilchenzahl) pro Volumeneinheit (beispielsweise Liter oder Kubikmeter) des Aerosols ermittelt werden.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass mittels einer Sensoreinheit (des Systems) eine von der Oberfläche ausgehende Strahlung erfasst wird und in Abhängigkeit von der erfassten Strahlung Sensorsignale erzeugt werden. Mittels der Analyseeinheit und unter Verwendung dieser Sensorsignale kann anschließend eine Analyse der erfassten Strahlung, beispielsweise eine Spektralanalyse, insbesondere eine Raman-Spektralanalyse, durchgeführt werden. Beispielsweise kann das (Intensitäts-)Spektrum der erfassten Strahlung mit Vergleichsspektren verglichen werden, wobei diese Vergleichsspektren für Kohlenstoffnanoröhren charakteristische Signaturen aufweisen. Hierbei kommen beispielsweise Signaturen in Frage, die durch Raman-Streuprozesse an Kohlenstoffnanoröhren hervorgerufen werden. Die Analyseeinheit kann zu diesem Zweck eine Speichereinheit umfassen, in der eine oder mehrere spektrale Signaturen mindestens eines oder mehrerer Typen von Kohlenstoffnanoröhren und/oder die genannten Vergleichsspektren gespeichert sind. Somit wird eine qualitative Zuordnung der CNT-Aerosolquelle möglich.
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Durch spektroskopische oder andere qualitative Analyseverfahren können die Kohlenstoffnanoröhren auf der Oberfläche von anderen auf der Oberfläche abgelagerten Partikel unterschieden werden. Somit lassen sich insbesondere falsch-positive Ergebnisse durch derartige Analysen besonders zuverlässig ausschließen. Außerdem lassen sich insbesondere im Fall einer Spektralanalyse besonders genaue quantitative Aussagen über die auf der Oberfläche abgeschiedenen Kohlenstoffnanoröhren treffen, beispielsweise auf Grundlage der spektralen Intensitätsverteilung (also dem Spektrum) der von der Probe erfassten Strahlung.
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Die Sensoreinheit des Systems kann außerdem eine Strahlungsquelle, wie etwa eine Laserquelle, umfassen, mit der es möglich ist, die Oberfläche mit Strahlung, insbesondere mit elektromagnetischer Strahlung (im folgenden kurz als Licht zusammengefasst) mittels einer Lichtquelle, vorzugsweise mittels einer Laser zu bestrahlen. Die Sensoreinheit kann auch eine Faseroptik umfassen, mit der die von der Oberfläche ausgehende Strahlung auf einen strahlungsempfindlichen Sensor der Sensoreinheit geleitet wird und/oder mit der die Strahlung der Strahlungsquelle auf die genannte Oberfläche geleitet wird.
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In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die genannte Oberfläche zum Ablagern der Kohlenstoffnanoröhren innerhalb eines Probenkanals innerhalb eines vorzugsweise nicht magnetisierbaren Gehäuses angeordnet Ist, wobei das Aerosol durch den Probenkanal hindurch und an der Oberfläche entlang strömt und das Magnetfeld den Probenkanal und die genannte Oberfläche durchläuft bzw. durchsetzt. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass sich die Strömungsgeschwindigkeit des Aerosols entlang der Oberfläche präzise vorgeben bzw. einstellen lässt und sich somit besonders genaue Aussagen insbesondere über das entlang der Oberfläche strömende Volumen des Aerosols und die Abscheiderate der Kohlenstoffnanoröhren auf der Oberfläche treffen lassen. Dies wiederum erlaubt eine besonders genaue Bestimmung der Konzentration der Kohlenstoffnanoröhren in dem Aerosol.
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Vorzugsweise wird das Aerosol mittels einer mit dem Probenkanal verbundenen Pumpe des Systems mit einem vorgegebenen Volumenstrom durch den Probenkanal hindurch gepumpt. Dann kann die Konzentration der Kohlenstoffnanoröhren beispielsweise in Abhängigkeit von diesem mittels der Pumpe eingestellten Volumenstroms des Aerosols und einer Pumpdauer (gemessen seit Beginn eines Pumpvorgangs oder seit einer vorangegangenen Messung) ermittelt werden. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, mittels eines Volumenstrommessers den Volumenstrom des Aerosols (entlang der Oberfläche bzw. durch den Probenkanal) zu messen und den auf diese Weise gemessenen Volumenstrom bei der Ermittlung des durch den Probenkanal geförderten Volumens und der Ermittlung der Konzentration der CNTs im Aerosol zu berücksichtigen.
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Vorzugsweise wird zeitaufgelöst, also in möglichst kurzen zeitlichen Abständen, quasi-kontinuierlich oder sogar kontinuierlich und vorzugsweise außerdem in (Quasi-)Echtzeit mittels der Analyseeinheit geprüft, ob auf der Oberfläche Kohlenstoffnanoröhren abgelagert sind, die Stoffmenge der auf der Oberfläche abgelagerten Kohlenstoffnanoröhren ermittelt und/oder in Abhängigkeit von dieser Stoffmenge die Konzentration der Kohlenstoffnanoröhren im Aerosol ermittelt. Zu diesem Zweck kann die Sensoreinheit eingerichtet sein, die von der Oberfläche ausgehende Strahlung in kurzen zeitlichen Abständen, quasi-kontinuierlich oder sogar kontinuierlich zu erfassen und in Abhängigkeit von der jeweils erfassten Strahlung eine entsprechende Abfolge von Sensorsignalen zu erzeugen. Die Analyseeinheit kann entsprechend eingerichtet sein, auf Grundlage dieser Abfolge der Sensorsignale in entsprechend kurzen zeitlichen Abständen, quasi-kontinuierlich oder sogar kontinuierlich Analysen der erfassten Strahlung durchzuführen und auf Grundlage dieser Analysen in entsprechend kurzen zeitlichen Abständen, quasi-kontinuierlich oder sogar kontinuierlich und vorzugsweise außerdem in Echtzeit zu überprüfen, ob auf der Oberfläche Kohlenstoffnanoröhren abgelagert sind, welche Stoffmenge von Kohlenstoffnanoröhren auf der Oberfläche abgelagert sind und/oder welche Konzentration an Kohlenstoffnanoröhren im Aerosol enthalten ist. Beispielsweise ist es möglich (eine entsprechende Rechenleistung der Analyseeinheit und Empfindlichkeit der Sensoreinheit vorausgesetzt), die Analysen innerhalb von Intervallen von weniger als eine Minute durchzuführen.
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Insbesondere im Fall der Erzeugung des Volumenstroms des Aerosols entlang der genannten Oberfläche mittels der oben beschriebenen Pumpe ist es möglich, zu jedem beliebigen Zeitpunkt den momentanen Volumenstrom sowie ein entlang der Oberfläche entlang geströmtes Volumen zu ermitteln und bei der Bestimmung der Konzentration der Kohlenstoffnanoröhren im Aerosol zu berücksichtigen. Insbesondere ist es möglich, den durch die Pumpe erzeugten Volumenstrom des Aerosols und/oder die Stärke des Magnetfeldes in Abhängigkeit von den Ergebnissen der Analyseeinheit zu ändern. Beispielsweise ist es möglich, den Volumenstrom zu drosseln und gleichzeitig die Feldstärke zu vergrößern, um die Nachweisgenauigkeit des Systems und des Verfahrens zu vergrößern.
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Das hier vorgeschlagene System kann ein vorzugsweise nicht-magnetisierbares metallisches Gehäuse umfassen, welches den beschriebenen Probenkanal zum Aufnehmen des Aerosols aufweist, wobei die genannte Oberfläche zum Ablagern der Kohlenstoffnanoröhren innerhalb des Probenkanals angeordnet ist. Ferner kann das Gehäuse eine Einlassöffnung zum Einlassen des Aerosols in den Probenkanal und eine Auslassöffnung zum Auslassen des Aerosols aus dem Probenkanal aufweisen. Durch die metallische Eigenschaft des Gehäuses wird eine elektrostatische Aufladung des Gehäuses vermieden, sodass Partikel nicht aufgrund elektrostatischer Effekte in Wechselwirkung mit der Gehäusewandung treten können.
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Diese Ausgestaltung und Anordnung des Probenkanals ermöglicht nicht-magnetischen Partikeln aller Größenklassen eine ungehinderte Passage durch das Gehäuse. In einer besonders bevorzugten Ausführung des Systems ist es besonders leicht und kompakt ausgestaltet, so dass es vorteilhafterweise durch eine einzelne Person getragen und gehandhabt werden kann. Beispielsweise kann das System ein Gesamtgewicht von weniger als 10 kg, bevorzugt von weniger als 5 kg, besonders bevorzugt von weniger als 1 kg aufweisen.
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Das Gehäuse kann ferner einen in den Probenkanal mündenden ersten Aufnahmekanal zum Aufnehmen der Magneteinheit in den Aufnahmekanal aufweisen. Außerdem kann das Gehäuse ein in den Probenkanal mündenden zweiten Aufnahmekanal zum Aufnehmen der Sensoreinheit in den zweiten Aufnahmekanal aufweisen. Dabei können der erste Aufnahmekanal und der zweite Aufnahmekanal koaxial angeordnet sein, also zueinander parallel ausgerichtete Längsachsen aufweisen. Vorzugsweise ist die genannte Oberfläche zum Ablagern der Kohlenstoffnanoröhren innerhalb des Probenkanals auf einer axialen Höhe des Probenkanals angeordnet, wobei der erste Aufnahmekanal und/oder der zweite Aufnahmekanal auf dieser axialen Höhe des Probenkanals in den Probenkanal münden bzw. mündet. Auf diese Weise ein besonders kompakter Aufbau des Gehäuses möglich. Außerdem ist es auf diese Weise möglich, die Magneteinheit und/oder die Sensoreinheit relativ zur genannten Oberfläche einzustellen und zu verschieben. Für diese Einstellungen kann das System eine Justiervorrichtung des Systems vorgenommen werden, die eingerichtet ist, die Magneteinheit längs des ersten Aufnahmekanals und/oder die Sensoreinheit längs des zweiten Aufnahmekanals zu verstellen.
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Durch derartiges Verschieben der Magneteinheit und/oder die Sensoreinheit kann beispielsweise die Sensoreinheit besonders nahe an die genannte Oberfläche herangeführt werden, insbesondere wenn die Oberfläche eine Außenfläche der Magneteinheit ist, um die von der Oberfläche ausgehende Strahlung möglichst gut zu erfassen und/oder um die Oberfläche mit möglichst intensiver Strahlung/Licht zu bestrahlen. Falls eine Fokussier-Optik eingesetzt wird, kann auf diese Weise die Oberfläche der Magneteinheit exakt auf die Fokussierebene eingestellt werden. Auch kann auf diese Weise der Strömungsverlauf des Aerosols zwischen der Oberfläche und der Sensoreinheit variiert werden. Vorzugsweise geschieht dies so, dass möglichst alle mit dem Aerosol durch den Probenkanal strömenden CNTs so stark durch das Magnetfeld abgelenkt werden, dass sie auf der Oberfläche abgeschieden werden können. Vorzugsweise lässt sich die Magneteinheit und/oder die Sensoreinheit auf diese Weise kontinuierlich verstellen. In einer besonders kompakten und einfach zu justierenden Ausführungsform des Gehäuses ist die genannte Oberfläche zum Ablagern der Kohlenstoffnanoröhren eine Außenfläche der Magneteinheit, vorzugsweise eine Außenfläche eines Magnets der Magneteinheit oder eine Außenfläche eines Substrats der Magneteinheit, vorzugsweise eine magnetischen Substrats.
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Vorzugsweise ist das Substrat aus einem nicht Raman-aktiven Material gefertigt, beispielsweise aus einem Metall, aus Glas oder aus Silizium.
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Das System kann außerdem eine Steuereinheit umfassen, die eingerichtet ist, die Pumpe mittels Steuersignalen anzusteuern zum Einstellen des durch die Pumpe erzeugten Volumenstroms des Aerosols durch den Probenkanal. Die Steuereinheit kann außerdem eingerichtet sein, auf die Analyseeinheit weitere Signale zu übertragen, aus denen beispielsweise der Startzeitpunkt und die Stärke des durch die Pumpe erzeugten Volumenstroms des Aerosols ableitbar sind. Die Analyseeinheit kann entsprechend eingerichtet sein, unter Verwendung dieser weiteren Signale den Startzeitpunkt, die Stärke des durch die Pumpe erzeugten Volumenstroms sowie das seit dem Startzeitpunkt oder seit einer vorangegangenen Messung durch den Probenkanalgeförderte Volumen des Aerosols zu ermitteln und diese Informationen beim Auswerten der Steuersignale der Sensoreinheit zu berücksichtigen. Auch können Werte, wie etwa ein mittels eines Volumenstrommessers gemessener (tatsächlicher} Volumenstrom an die Analyseeinheit übermittelt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform ist die Magneteinheit mittels Steuersignalen steuerbar zum Einstellen der Feldstärke des Magnetfeldes. Beispielsweise kann die Magneteinheit einen Elektromagneten umfassen, beispielsweise in Form einer Spule. Alternativ oder zusätzlich kann die Magneteinheit einen Permanentmagneten umfassen. Durch einen vorzugsweise automatisierten und/oder elektromechanischen Stellantrieb ist es beispielsweise möglich, einen Abstand zwischen dem genannten Permanentmagnet und der genannten Oberfläche, welche vorzugsweise die Oberfläche eines magnetisierbaren Materials bzw. Substrats ist, eingestellt werden. Auf diese besonders energieeffiziente Weise lässt sich die Stärke des Magnetfeldes gezielt einstellen. Beispielsweise ist es auch möglich, dass die Spule ausgestaltet ist, das Magnetfeld des Permanentmagneten zu kompensieren. Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, diese Steuersignale zu erzeugen und auf die Magneteinheit zu übertragen, wobei die Steuereinheit vorzugsweise außerdem eingerichtet ist, auf die Analyseeinheit zusätzliche Signale zu übertragen, aus denen zumindest der Startzeitpunkt oder/die genannte Feldstärke des Magnetfeldes ableitbar sind. Unter Verwendung dieser zusätzlichen Signale kann die Analyseeinheit dann den Startzeitpunkt und/oder die Feldstärke ermitteln und diese Information beim Auswerten der Sensorsignale der Sensoreinheit berücksichtigen.
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Zum Reinigen der Oberfläche von abgelagerten Kohlenstoffnanoröhren kann das Magnetfeld deaktiviert bzw. ausgeschaltet werden. Außerdem ist es möglich, mittels der oben genannten Pumpe eine möglichst starke Strömung des Aerosols entlang der Oberfläche zu erzeugen und durch Mitreißen der Kohlenstoffnanoröhren mit dieser Strömung die Oberfläche zu reinigen. Zusätzlich oder alternativ kann eine mechanische Abreinigung auch durch Erzeugung eines Ultraschallfelds vereinfacht werden. Beispielsweise kann mittels eines solchen Ultraschallfelds die genannte Oberfläche mit Ultraschallschwingungen beaufschlagt werden, durch welche die auf der Oberfläche abgelagerten Kohlenstoffnanoröhren sich leicht von der Oberfläche ablösen und entfernt werden können. Das Ultraschallfeld kann beispielsweise mittels einer entsprechend eingerichteten Ultraschallquelle des Systems erzeugt werden.
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Das hier vorgeschlagene Verfahren und das hier vorgeschlagene System lassen sich beispielsweise für Arbeitsschutzmessungen, Expositionsmessungen, Kontrollen der Prozesssicherheit in Anlagen zur Herstellung von Kohlenstoffnanoröhren, zur Überprüfung von Filterrückhalteraten sowie zu toxikologischen Untersuchungen verwenden.
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Im Folgenden wird eine spezielle Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Verfahrens und des hier vorgeschlagenen Systems anhand von 1A, 1B und 2 näher erläutert. Es zeigt:
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1A eine spezielle Ausführungsform eines Systems hier vorgeschlagener Art,
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1B eine Einzeldarstellung eines Gehäuses des in 1A gezeigten Systems und
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2 eine weitere Ansicht des in 1A gezeigten Systems.
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1A und 2 zeigen eine schematische Darstellung einer speziellen Ausführungsform eines Systems 1 hier vorgeschlagener Art zur Durchführung des hier vorgeschlagenen Verfahrens, also zum Nachweisen von in einem Aerosol, wie etwa Luft, schwebenden Kohlenstoffnanoröhren.
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Das System 1 umfasst ein Gehäuse 2 aus einem nicht-ferromagnetischen Metall. In 1B ist eine schematische Einzeldarstellung des Gehäuses 2 ohne weitere Elemente des Systems 1 dargestellt worden. Zu erkennen ist hierbei, das in das Gehäuse 1 ein Probenkanal 3, ein in den Probenkanal 3 mündender erster Aufnahmekanal 4 sowie ein in den Probenkanal 3 mündender zweiter Aufnahmekanal 5 eingearbeitet sind. Die beiden Aufnahmekanäle 4 und 5 verlaufen parallel zueinander und münden auf gleicher axialer Höhe des Probenkanals 3 in den Probenkanal 3. Das Gehäuse 2 weist außerdem eine Einlassöffnung 6 zum Einlassen des Aerosols in den Probenkanal 3 und eine Auslassöffnung 7 zum Auslassen des Aerosols aus dem Probenkanal 3 auf.
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Das System 1 umfasst außerdem eine Magneteinheit 8, welche in den ersten Aufnahmekanal 4 eingeschoben ist und teilweise in den Probenkanal hineinragt. Die Magneteinheit 8 umfasst ein Trägerelement 9, das aus einem nicht-ferromagnetischen Metall hergestellt ist und das eine axiale Bohrung aufweist, in die ein ferromagnetischer Stift 10 eingeführt ist. An einem dem Probenkanal 3 zugewandten Ende dieses Stifts 10 ist ein Magnet 11 (beispielsweise ein magnetisches Substrat, ein Permanentmagnet und/oder ein Elektromagnet) angeordnet, welcher in den Probenkanal 3 hineinragt und ein Magnetfeld erzeugt. Dadurch, dass der Stift ferromagnetisch ist, wird erreicht, dass bei der Verwendung eines Dauermagneten als Magnet 11 dieser an dem Trägerelement 9 fixiert bleibt. Eine Oberfläche 12 des Magnets 11 ist somit innerhalb des Probenkanals 3 angeordnet und ist außerdem dem zweiten Aufnahmekanal 5 zugewandt. Das mittels der Magneteinheit erzeugte Magnetfeld durchdringt diese Oberfläche 12 des Magnets 11 und verläuft außerdem innerhalb des Probenkanals 3. Durch eine magnetische Wechselwirkung zwischen den Kohlenstoffnanoröhren und diesem Magnetfeld werden selektiv in einem Aerosol schwebende Kohlenstoffnanoröhren auf die Oberfläche 12 magnetisch abgeschieden. Nicht-magnetische Partikel werden dahingegen nicht oder nur in nicht-nachweisbaren Mengen auf der Oberfläche abgeschieden.
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Mittels des Stifts 10 kann der Magnet 11 und somit auch die Oberfläche 12 des Magneten 11 axial und stufenlos entlang des ersten Aufnahmekanals verschoben werden. Somit ist der Stift 10 Teil einer Justiervorrichtung, welche außerdem noch ein von Hand lösbares Befestigungselement 13 umfasst.
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In den zweiten Aufnahmekanal 5 des Gehäuses 2 ist eine Sensoreinheit 14 teilweise eingeschoben, die eine Faseroptik 15 beinhaltet. Diese ist eingerichtet, von der Oberfläche 12 ausgehende Strahlung auf ein strahlungsempfindliches Sensorelement 16 der Sensoreinheit 14 zu leiten. Die Sensoreinheit 14 umfasst außerdem eine Laserquelle 17 mit der die Oberfläche 12 des Magnets 11 mit monochromatischer Strahlung bestrahlt werden kann. Diese Strahlung wird über die Faseroptik 15 auf die Oberfläche 12 geleitet. Das System 1 umfasst außerdem eine weitere Justiervorrichtung zum axialen Verschieben der Sensoreinheit 14, insbesondere der Faseroptik, entlang des zweiten Aufnahmekanals 5. Diese Justiervorrichtung umfasst ein weiteres von Hand lösbares Befestigungselement 13.
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Das System 1 umfasst außerdem eine Analyseeinheit 18, die eingerichtet ist, die Sensorsignale des Sensorelements 16 auszuwerten. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Analyseeinheit 18 eingerichtet, eine Ramanspektroskopische Analyse der von der Oberfläche 12 ausgehenden und mit dem Sensorelement 16 der Sensoreinheit 14 erfassten Strahlung durchzuführen. Zu diesem Zweck umfasst die Analyseeinheit 18 eine Speichereinheit 19, in der Vergleichsspektren gespeichert sind, welche für Kohlenstoffnanoröhren spezifische Signaturen aufweisen. Dabei beinhalten die Vergleichsspektren insbesondere solche Signaturen der Kohlenstoffnanoröhren, die durch Raman-Streuungen an den Kohlenstoffnanoröhren hervorgerufen werden.
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In Abhängigkeit von der Intensität verschiedener spektraler Anteile der erfassten Strahlung und durch Vergleich mit den gespeicherten Vergleichsspektren prüft die Analyseeinheit 18, ob auf der Oberfläche 12 des Magneten 11 Kohlenstoffnanoröhren abgelagert sind. Falls dies der Fall ist, ermittelt die Analyseeinheit außerdem die Stoffmenge der auf der Oberfläche 12 abgelagerten Kohlenstoffnanoröhren sowie, in Abhängigkeit von dieser Stoffmenge, die Konzentration der Kohlenstoffnanoröhren im durch den Probenkanal 3 geleiteten Aerosol.
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Das System 1 umfasst ferner eine mit dem Probenkanal 3 verbundene Pumpe 20, die eingerichtet ist, das Aerosol durch den Probenkanal 3 hindurch und an der Oberfläche 12 entlang zu pumpen, wobei die Pumpe 20 mittels Steuersignalen ansteuerbar ist zum Einstellen eines durch die Pumpe erzeugten Volumenstroms des Aerosols durch den Probenkanal 3. Das System 1 umfasst außerdem eine mit der Pumpe 20 verbundene Steuereinheit 21, die eingerichtet ist die genannten Steuersignale zu erzeugen und auf die Pumpe zu übertragen. Die Pumpe 20 weist einen Filter 20' auf, mit dem die Pumpe 20 vor einem ungewollten Partikeleintrag in die Pumpe 20 geschützt wird. Die Pumpe 20 ist außerdem über ein weiteres von Hand lösbares Befestigungselement 13 an der Auslassöffnung 7 mit dem Gehäuse 2 lösbar verbunden.
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Das System 1 umfasst noch ein weiteres Befestigungselement 13, mit dem die Einlassöffnung 6 des Gehäuses 2 verschlossen werden kann, wie in 2 dargestellt ist. In 2 ist außerdem gezeigt, dass die Magneteinheit 8 bei Bedarf aus dem ersten Aufnahmekanal 4 entnommen werden kann, nachdem das entsprechende Befestigungselement 13 zuvor (von Hand) gelöst worden ist. Auf diese Weise ist es einfach möglich, die Oberfläche 12 von abgelagerten Kohlenstoffnanoröhren zu reinigen. Auf ähnliche Weise lässt sich auch die Sensoreinheit 14 aus dem zweiten Aufnahmekanal 5 von Hand entfernen.
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Die Steuereinheit 21 ist eingerichtet, auf die Analyseeinheit 18 weitere Signale zu übertragen, aus denen beispielsweise der Startzeitpunkt und die Stärke des durch die Pumpe erzeugten Volumenstroms des Aerosols ableitbar sind. Die Analyseeinheit ist eingerichtet, unter Verwendung dieser weiteren Signale den Startzeitpunkt, die Stärke des durch die Pumpe erzeugten Volumenstroms sowie das seit dem Startzeitpunkt oder seit einer vorangegangenen Messung durch den Probenkanal geförderte Volumen des Aerosols zu ermitteln und/oder diese Informationen beim Auswerten der Steuersignale der Sensoreinheit zu berücksichtigen. Alternativ oder zusätzlich wäre es außerdem möglich, den Volumenstrom (d. h. die Volumenstromstärke) des Aerosols durch den Probenkanal 3 mittels eines Volumenstrommessers des Systems 1 zu erfassen und den auf diese Weise gemessenen Volumenstrom beim Ermitteln der Konzentration der CNTs im Aerosol zu berücksichtigen.
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Die die Magneteinheit 8 kann ebenfalls über die Steuereinheit 21 angesteuert werden zum Einstellen der Feldstärke des Magnetfeldes, wobei die Steuereinheit 21 entsprechende Signale an die Analyseeinheit 18 überträgt, auf Grundlage derer die Analyseeinheit 18 die Feldstärke ermitteln kann. Die Feldstärke kann ebenso wie die Volumenstromstärke bei der Ermittlung der Abscheiderate und/oder der Konzentration der Kohlenstoffröhren verwendet werden.
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Mit dem System 1 wird kontinuierlich und in Quasi-Echtzeit geprüft, ob auf der Oberfläche 12 Kohlenstoffnanoröhren abgelagert sind. Außerdem wird die Stoffmenge der auf der Oberfläche abgelagerten Kohlenstoffnanoröhren kontinuierlich ermittelt und in Abhängigkeit von dieser Stoffmenge kontinuierlich die Konzentration der Kohlenstoffnanoröhren im Aerosol ermittelt. Zu diesem Zweck ist die Sensoreinheit 14 eingerichtet, die von der Oberfläche 12 ausgehende Strahlung kontinuierlich zu erfassen und in Abhängigkeit von der jeweils erfassten Strahlung eine kontinuierliche Abfolge von entsprechenden Sensorsignalen zu erzeugen. Die Analyseeinheit 18 ist eingerichtet, auf Grundlage dieser Abfolge der Sensorsignale kontinuierlich Analysen der erfassten Strahlung durchzuführen und auf Grundlage dieser Analysen kontinuierlich zu überprüfen, ob auf der Oberfläche 12 Kohlenstoffnanoröhren abgelagert sind, welche Stoffmenge von Kohlenstoffnanoröhren auf der Oberfläche abgelagert sind und welche Konzentration an Kohlenstoffnanoröhren im Aerosol enthalten ist.
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Hierfür wird außerdem kontinuierlich in Abhängigkeit von dem durch die Pumpe 20 erzeugten Volumenstrom das entlang der Oberfläche 12 geströmte Volumen ermittelt und bei der Bestimmung der Konzentration der Kohlenstoffnanoröhren im Aerosol zu berücksichtigt.
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Durch ein gezieltes Einstellen der Feldstärke (und ggf. auch des Volumenstroms) können außerdem einzelne der möglichen Erscheinungsformen der CNTs (Agglomerate verschiedener Größe, Faserbündel, geometrische Gestalt der Fasern,...) selektiv auf der Oberfläche 12 abgeschieden werden und anschließend selektiv mit der Analyseeinheit nachgewiesen werden.
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Zum Reinigen der Oberfläche 12 von abgelagerten Kohlenstoffnanoröhren kann das Magnetfeld mittels der Steuereinheit 21 deaktiviert bzw. ausgeschaltet werden. Gleichzeitig kann die Pumpe 20 auf eine maximale Leistung eingestellt werden, um eine möglichst starke Strömung des Aerosols entlang der Oberfläche 12 zu erzeugen und durch Mitreißen der Kohlenstoffnanoröhren mit dieser Strömung die Oberfläche 12 zu reinigen. Zusätzlich kann mittels einer Ultraschallquelle (der Übersichtlichkeit nicht dargestellt) die Oberfläche in entsprechend hochfrequente Schwingungen versetzt werden, wodurch die abgelagerten Kohlenstoffnanoröhren von der Oberfläche gelöst werden.
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Das System 1 kann wegen ihrer Kompaktheit und ihres geringen Gewichts von weniger als 5 kg von einer Person alleine bedient und getragen werden.
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Die Forschungsarbeiten, die zu diesen Ergebnissen geführt haben, wurden von der Europäischen Union gefördert.
