Teilprojekt "Modelle für Dachbelastungsbewertung und Optimierung der Beräumungsstrategie"

Projektzeitraum: 04/2019-03/2022

Projektleiter: Prof. Dr. rer. nat. habil. Jochen Merker

Projektmitarbeiter: M.Sc. Gregor Schuldt

Wie kann man Schnee in möglichst optimaler Weise von unter der Last ächzenden Flachdächern transportieren? Diese Frage versuchen Prof. Jochen Merker und M.Sc. Gregor Schuldt im Projekt Schnee-Beräumung zu beantworten, das innerhalb des ZIM-Kooperationsnetzwerkes Dachsicherheit vom BMWi mit 183.689 EUR gefördert wird.

www.netzwerke-gemifo.de/dachsicherheit/

Durch die Einwirkung von Licht können Farbstoffe und Pigmente in Ausstellungsobjekten irreversibel geschädigt oder sogar zerstört werden. Andererseits ist eine gute Beleuchtung für eine ansprechende Präsentation dieser Objekte unabdingbar. Um einen Mittelweg zu finden, der sowohl den Erfordernissen des Kulturgüterschutzes wie auch den Wünschen der Ausstellungsbesucher gerecht wird, ist umfangreiches Datenmaterial zum Schädigungsverhalten der relevanten Farbstoffe, zum Schädigungspotential der Lichtquellen und zum Einfluss von Umgebungsparametern erforderlich.

1. „Systematische Untersuchung der Lichtschädigung an historischen Dokumenten und Ableitung von Schutzmaßnahmen“

Projektzeitraum: 03.09.2013 – 31.12.2014

Projektleiter: Prof. Dr. rer. nat. habil. Christian Weickhardt

Projektmitarbeiterin: Dr. rer. nat. Beate Villmann

Mittelgeber: Beauftragte der Bundesregierung für Kultur und Medien und Kulturstiftung der Länder

Fördersumme: 35.000 €

2. „Photochemische Schädigung von Ausstellungsobjekten: Ein Werkzeug zur Wahl der optimalen Beleuchtungs- und Umgebungsbedingungen“

Projektzeitraum: 25.08.2016 - 31.12.2018

Projektleiter: Prof. Dr. rer. nat. habil. Christian Weickhardt

Projektmitarbeiterin: Dr. rer. nat. Beate Villmann

Mittelgeber: Beauftragte der Bundesregierung für Kultur und Medien und Kulturstiftung der Länder

Fördersumme: 14.650 €

Historische Dokumente, die oft und über längere Zeiträume der Öffentlichkeit präsentiert werden, können nur dann zuverlässig vor photochemischen Schädigungen bewahrt werden, wenn die Abhängigkeit der Lichtschädigung von den Einflussgrößen hinlänglich bekannt ist. Die Ergebnisse des ersten Projekts haben gezeigt, dass sich diese Abhängigkeiten nicht auf einfache Aussagen über die verwendeten Lichtquellen reduzieren lassen, sondern dass zur realistischen Abschätzung des Gefährdungspotentials sowohl die individuellen Eigenschaften der Farbstoffe und ihre Verarbeitung sowie diverse Umgebungsparameter betrachtet werden müssen. Neben der spektralen Zusammensetzung des Lichts und seiner Intensität ist hierbei die Zusammensetzung der Umgebungsatmosphäre von zentraler Bedeutung.

Um diese Zusammenhänge systematisch zu untersuchen, wurde für einen Satz historisch relevanter Farbstoffe und Pigmente der Einfluss der Zusammensetzung der Umgebungsatmosphäre auf die zeitabhängigen photochemischen Veränderungen des spektralen Reflexionsgrads ermittelt. Dazu wurden gasdichte Probenkammern hergestellt, in denen die Materialien in einer Stickstoffatmosphäre gelagert und mit Licht unterschiedlicher spektraler Zusammensetzung beleuchtet werden konnten. Durch Vergleich mit dem Verhalten von Proben unter Normalatmosphäre konnte auf den Einfluss des Luftsauerstoffs geschlossen werden.

Aus den so gewonnenen Daten wurden Empfehlungen für die Präsentation bestimmter Materialien hinsichtlich Schutzatmosphäre und Beleuchtungsbedingungen abgeleitet. Eine online-Datenbank versetzt interessierte Bibliotheken und Sammlungen in die Lage versetzen, das Gefährdungspotenzial definierter Präsentationsbedingungen abzuschätzen.

Die Abhängigkeit der Schädigung von der Wellenlänge der Strahlung wurde mittels eines Satzes schmalbandiger LED-Feldern als Lichtquellen untersucht, deren Wellenlängen näherungsweise äquidistant über den sichtbaren Spektralbereich verteilt waren. Die so erhaltenen Messdaten wurden als Basis für einen mathematischen Algorithmus genutzt, der eine Prognose des Schädigungsverhaltens eines Farbstoffs für eine vorgegebene spektrale Bestrahlungsstärke und –dauer erlaubt. Damit wird eine Planung von Beleuchtungsszenarien ohne aufwändige Messungen möglich. Bei der Erstellung der Software wurde besonders darauf geachtet, die Anwendung benutzerfreundlich zu gestalten und die ermittelten Informationen kompakt und verständlich darzustellen. So werden neben Daten zur Farbveränderung in verschiedenen farbmetrischen Systemen auch visuelle Farbvergleiche geboten. Die Datenbank sowie das Prognosewerkzeug sind online verfügbar unter: colordamage.imn.htwk-leipzig.de/lichtschaedigung/

colordamage.imn.htwk-leipzig.de/lichtschaedigung/

1. “Licht schadet – mehr oder weniger” B. Villmann, C. Weickhardt Restauro, 7, 22 – 27 (2015)

2. “Wavelength Dependence of Light Induced Changes in Reflectance Spectra of Selected Dyes and Pigments” B. Villmann, C. Weickhardt Studies in Conservation, 63, 104 – 112 (2018)

3. “Modelling of Light-Induced Changes in Reflectance Spectra: A Predictive Tool for the Effect of an Arbitrary Spectral Irradiance” B. Villmann, G. Peltri, C. Weickhardt Studies in Conservation, doi.org/10.1080/00393630.2018.1486529 

4. “Licht – Segen oder Fluch bei der Präsentation von Ausstellungsobjekten?” B. Villmann, C. Weickhardt Kulturbetrieb, 2, 36 – 37 (2018)

Rückstände von Pestiziden in Nahrungsmitteln stellen eine potentielle Gefahr für die Gesundheit der Konsumenten dar. Um eine umfassende Kontrolle vor dem Verzehr zu ermöglichen, werden schnellanalytische Verfahren benötigt, die ein Screening ohne zeitaufwändige Schritte erlauben. Eine derartige semiquantitative Methode zum schnellen Nachweis von Pestiziden auf Obst und Gemüse soll im Rahmen dieses Vorhabens auf der Basis einer Kopplung von Laserdesorption und Ionen-Mobilitätsspektrometrie entwickelt werden.

Entwicklung eines Laser-Ionen-Mobilitätsspektrometers zur schnellen Detektion von Pestiziden auf Nahrungsmitteln

Projektzeitraum: 01.07.2009 – 31.12.2012

Projektleiter: Prof. Dr. rer. nat. habil. Christian Weickhardt

Mittelgeber: BMBF

Fördersumme: 227.002 €

Trotz lebensmittelrechtlicher Vorschriften finden sich immer wieder pestizidbelastete Lebensmittel im Handel. Dieser Befund stützt sich allerdings auf eine geringe Anzahl von Stichproben, da der derzeitige Stand der Lebensmittelanalytik eine umfassende Kontrolle von Obst und Gemüse auf dem Weg vom Produzenten zum Verbraucher nicht zulässt. Die verfügbaren Verfahren sind zeit- und kostenintensiv und beinhalten in der Regel zahlreiche nichtautomatisierbare Schritte.

Zum Schutz der Verbraucher vor gesundheitsschädlichen Pflanzenschutzmitteln werden analytische Verfahren benötigt, die ein schnelles Screening einer repräsentativen Anzahl von Proben einer z.B. im Großhandel eingehenden Charge ermöglichen und vor Ort eine Einstufung in bedenkliche bzw. unbedenkliche Ware erlauben. Die Methode muss robust und preisgünstig sein, einen hohen Probendurchsatz erlauben und auch von nur kurz eingewiesenem Personal bedienbar sein.

Ziel dieses Forschungsvorhabens war es, ein Verfahren für den Nachweis von Pestizidrückständen auf Pflanzenoberflächen durch Kopplung von Laserdesorption mit der Ionen-Mobilitätsspektrometrie zu realisieren. Gegenüber konventionellen (z.B. thermischen) Desorptionsverfahren zeichnet sich die Laserdesorption dadurch aus, dass sie auch große und thermisch labile Moleküle intakt in die Gasphase überführen kann und der Prozess innerhalb kürzester Zeit, d.h. weniger Mikrosekunden, von statten geht. Durch die direkte Analyse der von der Obstschale verdampften Substanzen in einem Ionenmobilitätsspektrometer und den Verzicht auf chromatographische Trennverfahren werden somit sehr kurze Messzeiten und damit ein hoher Probendurchsatz möglich.

Zur Analyse wird die Oberfläche der Probe (Obst, Gemüse, etc.) innerhalb einer gasdurchströmten Zelle mit einem intensiven, gepulsten Laserstrahl beschossen, der die Zielsubstanzen desorbiert. Diese werden dann mittels eines Gasstroms in das Spektrometer überführt, wo ihre Charakterisierung und Quantifizierung erfolgt. Der gesamte Messablauf ist vollständig automatisierbar und stellt für jeden Teil der untersuchten Oberfläche das Ergebnis innerhalb weniger Sekunden zur Verfügung.

Der Einsatz eines Ionenmobilitätsspektrometers (IMS) zur Detektion der verdampften Substanzen erfolgt zum einen wegen der guten Automatisierbarkeit und Robustheit dieser Geräte sowie ihrer niedrigen Nachweisgrenze für eine Vielzahl von Verbindungen. Gegenüber Sensoren wiederum zeichnet sich das IMS durch seine universelle Anwendbarkeit aus, was bei der Vielzahl der in Frage kommenden Zielverbindungen zwingend ist.

Im Rahmen des Vorhabens wurden zwei Labormuster entwickelt, von denen das eine auf einem Differentiellen Ionenmobilitätsspektrometer (DMS) mit Ionisation durch Vakuum-Ultraviolett-Photonen, das andere auf einem Laufzeit-Ionenmobilitätsspektrometer mit radioaktiver Ionenquelle basierte. Ihre Eigenschaften wurden anhand einer Auswahl von 20 Pflanzenschutzmitteln charakterisiert. Die Ergebnisse zeigten, dass bis auf wenige Ausnahmen alle ausgewählten Pestizide mit beiden Anordnungen nachgewiesen werden können, dass aber aufgrund der deutlich höheren Empfindlichkeit und Trennschärfe dem laufzeitbasierten System klar der Vorzug zu geben war.

Um die quantitativen Aussagen der Messungen zu verbessern, wurde in das System eine Komponente integriert, die die Zugabe eines internen Standards in das Trägergas des IMS ermöglicht. Außerdem wurde die Möglichkeit geschaffen, den Laserstrahl mittels eines beweglichen Spiegels scannend über die Probenoberfläche zu führen und so eine größere Fläche zu analysieren, was sich positiv auf die Nachweisgrenze und die statistische Qualität der erhaltenen Daten auswirkt.

Nach abschließenden Tests an realen Proben wurde das entwickelte Verfahren in einen Prototypen umgesetzt, bei dem alle Komponenten in einem mobilen Schrank untergebracht sind. Auf diese Weise ergibt sich ein kompaktes und benutzerfreundliches Gerät. Die Praxiserprobung führte Interferenzprobleme von Signalen mancher Bestandteile von nicht verunreinigten Obstschalen mit denen von Pestiziden zutage, die zu Fehlalarmen führten. Diese Probleme treten zwar nur bei bestimmten Obstsorten auf, schränken aber dennoch die Anwendbarkeit der Methode deutlich ein. Eine Lösung dieses Problems steht noch aus.

Abschlussbericht

1. "Rapid Screening of Pesticides from Fruit Surfaces: Preliminary Examinations Using a Laser Desorption - Differential Mobility Spectrometry Coupling" H. Borsdorf, S. Rötering, E.G. Nazarov, C. Weickhardt Int. J. Ion Mobility Spectrom., 12, 15 – 22 (2009)

2. "Effect of dopants on the analysis of pesticides by means of differential mobility spectrometry with atmospheric pressure photoionization" H. Borsdorf, S. Rötering, E.G. Nazarov, C. Weickhardt Int. J. Ion Mobility Spectrom., 13, 47 – 54 (2010)

3. "Ion Mobility Spectrometry of Laser Desorbed Pesticides from Fruit Surfaces" C. Weickhardt, N. Kaiser, H. Borsdorf Int. J. Ion Mobility Spectrom., 15, 55 – 62 (2012)