Schnüffeln mit Licht

Geringste Mengen an Gas zuverlässig analysieren

02.05.2019

Technische Universität Wien

Eine schematische Darstellung der Messzelle, entwickelt an der TU Wien.

Technische Universität Wien

Johannes Paul Waclawek (l.) und Bernhard Lendl (r.) mit dem erhaltenen Anton Paar Forschungspreis.

Winzige Spuren von Gasen kann man mit einem neuartigen Gerät messen, das an der TU Wien entwickelt wurde. Diese "künstliche Schnüffelnase" beruht auf einer ausgeklügelten Lasertechnik.

Es ist eine recht ungewöhnliche Methode, mit der man an der TU Wien nun geringste Mengen unterschiedlicher Moleküle in der Luft nachweisen kann: Man heizt die gesuchte Substanz punktuell mit einem speziellen Laser auf, dadurch ändert sich der Brechnungsindex des Gases, und diesen Effekt wiederum kann man mit einem zweiten Laser nachweisen. Das neue Analysegerät ist nicht nur hochempfindlich, es lässt sich auch extrem kompakt bauen und kommt mit viel kleineren Probemengen aus als andere Geräte.

Ausgezeichnet

Dr. Johannes Paul Waclawek, der im Rahmen seiner Dissertation bei Prof. Bernhard Lendl am Institut für Chemische Technologien und Analytik der TU Wien an der neuen Messtechnik forschte und diese dort nun als Post-Doc weiter verbessert, wurde für die Entwicklung der neuen Methode zunächst mit dem Prozessanalytik-Award 2017 ausgezeichnet. Dieser Preis wird jährlich vom Arbeitskreis Prozessanalytik der Fachgruppe Analytische Chemie der Gesellschaft Deutscher Chemiker für die beste Disseration auf dem Gebiet der Prozessanalytik für das zurückliegende Jahr vergeben. Nun wurden Johannes Paul Waclawek und Bernhard Lendl im Februar 2019 auch mit dem erstmals vergebenen und insgesamt mit 20.000 Euro dotierten Anton Paar Forschungspreis für Instrumentelle Analytik & Charakterisierung ausgezeichnet. Dieser Preis prämiert Forschungsleistungen, welche ein hohes Maß an Innovation sowie ein großes Potential auf eine erfolgreiche Umsetzung im Markt aufweisen. Die Forscher der TU Wien konnten sich hier gegenüber 69 Einreichungen aus 19 Ländern erfolgreich durchsetzen.

Moleküle, die Laserlicht schlucken

Laser zum Aufspüren bestimmter Moleküle zu verwenden, ist keine neue Idee. Die Methode der Laser-Absorptionsspektroskopie setzt man in der Spurenanalytik schon länger ein. Dabei macht man sich zu Nutze, dass unterschiedliche Moleküle unterschiedliche Lichtfarben absorbieren: Je nach Wellenlänge wird ein bestimmter Laserstrahl von bestimmten Molekülen absorbiert und von anderen ungehindert durchgelassen. So kann man verschiedene Substanzen mit großer Präzision nachweisen und voneinander unterscheiden.

Normalerweise misst man einfach, wie stark ein Laserstrahl von einem Gas abgeschwächt wird. Je weniger Licht des Lasers an einem Lichtdetektor ankommt, umso mehr Moleküle muss der Laserstrahl unterwegs getroffen haben, die einen Teil des Lichts absorbieren konnten. "Wir haben einen ganz anderen Ansatz gewählt", berichtet Johannes Waclawek. "Wir messen nicht die Abschwächung der Intensität eines Laserstrahls. Stattdessen messen wir mithilfe einer optischen Kavität die Brechungsindexänderung des Gases, welche durch die Absorption der Laserstrahlung von Molekülen hervorgerufen wird."

Erhitzte Moleküle – veränderte Lichtbrechung

Wenn die gesuchten Moleküle das Laserlicht aufnehmen, heizen sie sich nämlich auf. Dadurch verändert sich auch der optische Brechungsindex des Gases. Das Phänomen kennt man vom Flimmern der heißen Luft über einem brennenden Feuer: Heiße Luft hat eine geringere Dichte und das wirkt sich auf die Brechung des Lichts aus.

Den veränderten Brechungsindex kann man sehr präzise messen: "Wir schicken einen zweiten Laserstrahl durch ein System aus zwei teildurchlässigen Spiegeln, das nur Licht einer ganz bestimmten Wellenlänge optimal durchlässt", erklärt Bernhard Lendl. "Wenn Spuren des gesuchten Gases vorhanden sind und sich erwärmen, ändert sich der optische Brechungsindex des Gases und somit die Wellenlänge, welche zwischen die beiden Spiegel passt. Genau darauf reagiert das Messsystem dann extrem empfindlich."

Bereits mit dem Prototypen, den Johannes Paul Waclawek entwickelte, lassen sich winzige Spuren von Schwefeldioxid in der Luft nachweisen: Konzentrationen im einstelligen Milliardstelbereich können gemessen werden. Weitere Verbesserungen sollen die erreichbaren Nachweisgrenzen noch deutlich nach unten drücken.

Ein wesentlicher Vorteil der neuen Messtechnik ist ihre Miniaturisierbarkeit: Bei der klassischen Absorptionsspektroskopie muss man den Laserstrahl möglichst lange durch das zu untersuchende Gas lenken – oft über dutzende Meter, bis der Absorptionsprozess stark genug ist um den Laserstrahl ausreichend abzuschwächen. Misst man allerdings statt der Lichtabschwächung die Änderung des optischen Brechungsindex, ist eine Messung auf extrem kleinen Raum möglich und selbst kleine Mengen an Gas können zuverlässig analysiert werden. Im Prinzip könnte man die Messtechnik auf einem Chip integrieren und kleine tragbare Messgeräte bauen, die eine Vielzahl unterschiedlicher Substanzen "erschnüffeln" können.

Einsatzmöglichkeiten für die neue Messtechnik gibt es viele – in der Umweltanalytik, wenn es darum geht, gefährliche Abgase nachzuweisen, in der Medizin, beispielsweise zur Analyse der Atemluft, oder auch in der Industrie, in der Qualitätssicherung beim Überwachen von Produktionsprozessen. Mit Unterstützung des Forschungs- und Transfersupports der TU Wien wurde die neue Messtechnik bereits zum Patent angemeldet.

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