Infrarot-Spektroskopie Sensor im Würfelzuckerformat erkennt Gefahrstoffe

So klein wie ein Stück Würfelzucker kann das Spektrometer Gefahrstoffe in der Luft erkennen.
So klein wie ein Stück Würfelzucker kann das Spektrometer Gefahrstoffe in der Luft erkennen.

Umweltverschmutzung, Industrieunfälle oder Terroranschläge: es gibt viele Ursachen dafür, dass Mensch und Umwelt durch Giftstoffe in Gefahr geraten. Um reagieren zu können, müssen gefährliche Substanzen schnell erkannt werden. Das Fraunhofer-Institut IPMS hat dafür ein Infrarot-Spektrometer im Würfelzuckerformat entwickelt.

Die Spektroskopie, bei der Stoffe beleuchtet und Intensität und spektrale Zusammensetzung des von der Probe beeinflussten Lichts analysiert werden, ist prädestiniert dafür, gefährliche Substanzen möglichst zeitsparend qualitativ und quantitativ zu bestimmen. Da jedes Molekül sein eigenes einzigartiges Infrarotspektrum (»Fingerabdruck«) hat, ist die Messung auf sehr viele verschiedene feste, flüssige oder gasförmige Stoffe anwendbar. Die Herausforderung für die Forscher besteht darin, die Messtechnik auf eine robuste kompakte Bauform zu bringen und einen möglichst großen Wellenlängenbereich abzudecken, um so möglichst viele relevante Gase oder auch komplexere Moleküle identifizieren zu können.

Das Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS hat bereits ein mobiles MEMS-Gitter-Spektrometer im Würfelzuckerformat präsentiert, mit dessen Hilfe gasförmige, flüssige und feste Stoffe durch Analyse des Lichts im nahen Infrarotbereich (950 nm-1900 nm) untersucht werden können. Bei der diesjährigen Photonics West stellen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nun einen neuartigen Ansatz vor, MEMS-Technologie auch für die Spektralanalyse im mittleren Infrarotbereich (3 – 12 µm) einzusetzen. Viele für die Sicherheitsüberwachung bedeutsame chemische Stoffe haben hier eindeutige und charakteristische Absorptionslinien. So können unterschiedliche Gefahrstoffe mit Hilfe eines kompakten, mobilen Sensorsystems schnell erkannt und quantifiziert werden.

Im Rahmen des Europäischen Verbundforschungsprojektes »MIRIFISENS – Mid Infrared Innovative Lasers for Improved Sensors of Hazardous Substances« arbeitet das Fraunhofer IPMS mit 17 weiteren Projektpartnern aus neun Ländern gemeinsam an der Entwicklung einer neuartigen, handlichen durchstimmbaren monochromatischen Strahlungsquelle für den mittleren Infrarotbereich. Diese bildet die technologische Grundlage für die Entwicklung handlicher Spektrometer, die in der Lage sind, die Konzentration verschiedener Gefahrstoffe schnell und vor Ort zu ermitteln. Herzstück des Systems ist ein miniaturisierter Quantenkaskadenlaser (QCL), der am Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF in Freiburg entwickelt wird. Dieser deckt einen großen Bereich der für den spektroskopischen »Fingerabdruck« wichtigen Wellenlängen im mittleren Infrarot ab. Um das Licht des Quantenkaskadenlasers auf definierte Wellenlängen einstellen zu können, haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Fraunhofer IPMS ein lichtstarkes Beugungsgitter mit 5 mm Durchmesser entwickelt. Das mikromechanisch gefertigte Beugungsgitter agiert dabei als durchstimmbarer externer Resonator des Quantenkaskadenlasers. Es erlaubt das Durchfahren der Laserwellenlänge mit einer Frequenz von 1000Hz, mit einem Durchstimmbereich von bis zu 20 Prozent der Zentralwellenlänge. Im Zeitmultiplex kann so die Probe mit unterschiedlichen Wellenlängen bestrahlt und mittels des »Fingerabdrucks« auf Art und Konzentration der Gefahrstoffe geschlossen werden.

Das System ist mit einem Volumen von nur 2,1 cm³ etwa 30% kleiner als ein Stück Würfelzucker und wird über ein gewöhnliches Smartphone gesteuert. Es erlaubt Messungen im Wellenlängenbereich von 950 nm bis 1900 nm bei einer spektralen Auflösung von 10 nm. Damit ist die Technologie für die Analyse unterschiedlichster organischer Verbindungen und vielfältige Anwendungen wie zum Beispiel tragbare Messgeräte für die Nahrungsmittelindustrie, mobile medizintechnische und pharmakologische Analysegeräte, industrielle in situ-Qualitätstests oder Frühwarn- und Überwachungssysteme in Sicherheitsanwendungen und Gebäudemanagement interessant.