Messen mit Laser und Mikrofon #####

Unbekannte Gasgemische auf ihre Zusammensetzung zu analysieren und die Konzentrationen der einzelnen Gaskomponenten zu bestimmen, ist traditionell die Domäne...

Unbekannte Gasgemische auf ihre Zusammensetzung zu analysieren und die Konzentrationen der einzelnen Gaskomponenten zu bestimmen, ist traditionell die Domäne von Analyseverfahren wie Massenspektrometrie und Gas-Chromatographie. Eine moderne Alternative ist die laserbasierte Photoakustik.

Optische Verfahren zur Gas-Analyse, zu denen auch die Photoakustik zählt, fußen auf der Eigenschaft von Gasen, Strahlung im Infrarot-Bereich zu absorbieren. Die Wechselwirkung von Gas mit Licht beruht auf den aus dem asymmetrischen Molekülaufbau herrührenden Dipolmomenten von Gasen. Einfallendes Infrarotlicht führt zu einer Wechselwirkung mit diesen Dipolmomenten, so dass die Moleküle rotieren und in sich beziehungsweise in der Bindungslänge schwingen. Das Molekül nimmt Rotations- und Schwingungsenergie auf, wenn die Frequenz des eingestrahlten Lichtes mit der Anregungsfrequenz für Rotation beziehungsweise Schwingung übereinstimmt; dies ist überwiegend im infraroten Bereich der Fall.

Da der unterschiedliche geometrische Aufbau der Gasmoleküle unterschiedliche Rotations- und Vibrationsmoden für spezifische Moleküle bedingt, lassen sich Gase anhand ihres Infrarot-Spektrums wie bei einem Fingerabdruck identifizieren. Kohlendioxid beispielsweise hat Anregungsbanden bei 2,04 μm. Somit lassen sich selbst einzelne Isotope eines Gases eindeutig identifizieren.

Allerdings ist der Nachweis von Kohlendioxid auf diese Weise nicht immer eindeutig, da es andere Gase mit überlappenden Anregungsbereichen gibt – hier stellt sich das Problem der Querempfindlichkeit.

Die Wechselwirkung von Gas und Licht

Die einfachste optische Nachweismethode der Gas-Analytik ist die Transmissionstechnik: Hierbei wird Infrarotlicht in einem bestimmten Wellenlängenbereich, der meist durch Filter entsprechend eingeschränkt wird, in eine Gaszelle eingestrahlt und auf der Austrittsseite mit Hilfe eines Strahlungsdetektors gemessen. Allerdings hängt das resultierende Signal, das bei einigen Gasen 100-mal schwächer ist als etwa das von CO2 oder Wasser, von der verwendeten Weglänge ab (der Länge, die das Licht durch die Zelle zurücklegt).