Feinste Gasmoleküle „erschnüffeln“: Eine auf Licht basierende Messtechnik der TU Wien macht es möglich.

Bild: iStock, RapidEye

Messsystem für kleinste Moleküle Gase mit Licht erschnüffeln

03.05.2019

Mit einem neuartigen Gerät der TU Wien lassen sich winzige Spuren von Gasen messen. Die künstliche Schnüffelnase beruht auf einer speziellen Lasertechnik: Statt wie gewohnt die Abschwächung der Laserintensität zu messen, wird die Brechungsindexänderung des Gases berücksichtigt.

Es ist eine recht ungewöhnliche Methode, mit der an der TU Wien geringste Mengen unterschiedlicher Moleküle in der Luft nachgewiesen werden: Die gesuchte Substanz wird punktuell mit einem speziellen Laser aufgeheizt, wodurch sich der Brechnungsindex des Gases ändert. Diesen Effekt wiederum kann man mit einem zweiten Laser nachweisen. Das neue Analysegerät ist dabei nicht nur hochempfindlich, es lässt sich auch sehr kompakt bauen und kommt mit viel kleineren Probemengen als andere Geräte aus.

Brechung statt Abschwächung messen

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

Normalerweise wird einfach gemessen, 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 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. „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 sorgen für Luftflimmern

Wenn die gesuchten Moleküle das Laserlicht aufnehmen, heizen sie sich 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 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 Waclawek entwickelte, lassen sich winzige Spuren von Schwefeldioxid in der Luft nachweisen: Konzentrationen im einstelligen Milliardstelbereich sollen gemessen werden können. Weitere Verbesserungen sollen die erreichbaren Nachweisgrenzen noch deutlich nach unten drücken.

Miniaturisierung als großer Vorteil

Ein wesentlicher Vorteil der neuen Messtechnik ist ihre Miniaturisierbarkeit. Bei der klassischen Absorptionsspektroskopie muss der Laserstrahl möglichst lange durch das zu untersuchende Gas gelenkt werden – 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 kleinem Raum möglich. Selbst kleine Mengen an Gas können zuverlässig analysiert werden. Im Prinzip könnte die Messtechnik auf einem Chip integriert werden, und kleine tragbare Messgeräte ließen sich bauen, die eine Vielzahl unterschiedlicher Substanzen „erschnüffeln“ können.

Einsatzmöglichkeiten für die neue Messtechnik finden sich etwa 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.

Auszeichnung mit erstmalig vergebenem Forschungspreis

Waclawek 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 Dissertation auf dem Gebiet der Prozessanalytik für das zurückliegende Jahr vergeben.

Im Februar 2019 wurden die beiden Forscher nun mit dem erstmals vergebenen und insgesamt mit 20.000 Euro dotierten Anton-Paar-Forschungspreis für Instrumentelle Analytik & Charakterisierung ausgezeichnet. Die TU Wien konnte sich hier gegenüber 69 Einreichungen aus 19 Ländern durchsetzen.

Über den nachfolgenden Link gelangen Sie zur Originalpublikation über das neuartige Analyseverfahren.

Zur Originalpublikation

Bildergalerie

  • Schematische Darstellung der an der TU Wien entwickelten Messzelle.

    Bild: TU Wien

  • Nach Erhalt des erstmals vergebenen Anton-Paar-Forschungspreises (von links nach rechts): Johannes Paul Waclawek und Bernhard Lendl.

    Bild: TU Wien

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