Forscher haben eine neue Methode entwickelt, um sehr geringe Konzentrationen von Gasen schnell zu erkennen und zu identifizieren. Der neue Ansatz, der als kohärent kontrollierte quarzverstärkte photoakustische Spektroskopie bezeichnet wird, könnte die Grundlage für hochempfindliche Echtzeitsensoren für Anwendungen wie Umweltüberwachung, Atemanalyse und chemische Prozesskontrolle bilden.
„Die meisten Gase sind in geringen Mengen vorhanden, daher ist die Erkennung von Gasen in geringen Konzentrationen in einer Vielzahl von Branchen und Anwendungen wichtig“, sagte Forschungsteamleiter Simon Angstenberger von der Universität Stuttgart in Deutschland. „Im Gegensatz zu anderen Methoden zur Spurengasdetektion, die auf Photoakustik basieren, ist unsere Methode nicht auf bestimmte Gase beschränkt und erfordert keine Vorkenntnisse über das möglicherweise vorhandene Gas.“
In OPTISCHIn der Fachzeitschrift der Optica Publishing Group für wirkungsvolle Forschung berichten die Forscher über die Erfassung eines vollständigen Methanspektrums im Bereich von 3050 bis 3450 Nanometern in nur drei Sekunden, eine Leistung, die normalerweise etwa 30 Minuten dauern würde.
„Diese neue Technologie könnte zur Klimaüberwachung eingesetzt werden, indem sie Treibhausgase wie Methan erkennt, das einen starken Beitrag zum Klimawandel leistet“, sagte Angstenberger. „Es hat auch potenzielle Anwendungen in der Krebsfrüherkennung durch Atemanalyse und in chemischen Produktionsanlagen zur Erkennung von Lecks giftiger oder brennbarer Gase und zur Prozesskontrolle.“
Hinzufügen einer kohärenten Kontrolle
Spektroskopie identifiziert Chemikalien, einschließlich Gase, indem sie ihre einzigartigen Lichtabsorptionseigenschaften analysiert, ähnlich einem „Fingerabdruck“ für jedes Gas. Um niedrige Gaskonzentrationen schnell zu erkennen, ist jedoch nicht nur ein schnell einstellbarer Laser erforderlich, sondern auch ein äußerst empfindlicher Erkennungsmechanismus und eine präzise elektronische Steuerung des Laser-Timings.
In der neuen Arbeit verwendeten die Forscher einen Laser mit einer extrem schnell abstimmbaren Wellenlänge, der kürzlich von Mitarbeitern der Stuttgart Instruments GmbH, einer Ausgründung der Universität, entwickelt wurde. Sie nutzten auch die quarzverstärkte photoakustische Spektroskopie (QEPAS) als empfindlichen Nachweismechanismus. Bei diesem Spektroskopie-Ansatz wird eine Quarz-Stimmgabel verwendet, um die Gasabsorption durch elektronische Messung ihrer Schwingungen bei einer Resonanzfrequenz von 12.420 Hz zu erfassen, die durch einen mit derselben Frequenz modulierten Laser induziert werden. Der Laser erhitzt das Gas zwischen den Zinken der Gabel in schnellen Impulsen, wodurch diese sich bewegen und eine spürbare piezoelektrische Spannung erzeugen.
„Der hohe Gütefaktor der Stimmgabel, der sie lange klingeln lässt, ermöglicht es uns zwar, niedrige Konzentrationen durch das zu erkennen, was Wissenschaftler als Resonanzverstärkung bezeichnen, sie begrenzt jedoch die Erfassungsgeschwindigkeit“, erklärt Angstenberger. „Das liegt daran, dass sich die Gabel immer noch bewegt, wenn wir die Wellenlänge ändern, um den Fingerabdruck des Moleküls zu erhalten. Um das nächste Merkmal zu messen, müssen wir die Bewegung irgendwie stoppen.“
Um dieses Problem zu lösen, entwickelten die Forscher einen Trick namens kohärente Kontrolle. Dabei wurde der Zeitpunkt der Impulse um genau einen halben Schwingungszyklus der Gabel verschoben, während die Laserausgangsleistung bei der gleichen Frequenz blieb. Dadurch erreicht der Laserimpuls das Gas zwischen den Gabeln, wenn sich deren Zinken nach innen bewegen. Dieser Trick dämpft die Schwingungen der Gabel, denn wenn das Gas heiß wird und sich ausdehnt, wirkt es der Bewegung der Zinken entgegen. Nach einigen Laserlichtblitzen – über einige hundert Mikrosekunden – hört die Gabel auf zu vibrieren und die nächste Messung kann durchgeführt werden.
Schnelle Gasidentifizierung
„Das Hinzufügen einer kohärenten Steuerung zu QEPAS ermöglicht eine ultraschnelle Identifizierung von Gasen anhand ihrer Vibrations- und Rotationsfingerabdrücke“, sagte Angstenberger. „Im Gegensatz zu herkömmlichen Aufbauten, die auf bestimmte Gase oder einzelne Absorptionspeaks beschränkt sind, können wir eine Echtzeitüberwachung mit einem breiten Laserabstimmbereich von 1,3 bis 18 µm erreichen, wodurch praktisch jedes Spurengas erkannt werden kann.“
Die Forscher testeten die neue Methode mit dem von Stuttgart Instruments entwickelten Laser und einer kommerziell erhältlichen QEPAS-Gaszelle, um ein vorkalibriertes Methangemisch mit 100 Teilen pro Million Methan in der Gaszelle zu analysieren. Sie zeigten, dass bei normalem QEPAS ein zu schnelles Scannen den spektralen Fingerabdruck verwischt, bei der kohärenten Kontrollmethode bleibt er jedoch klar und unverändert.
Als nächsten Schritt planen die Forscher, die Grenzen der neuen Technologie zu untersuchen, um ihre maximale Geschwindigkeit und niedrigste Sensorkonzentration zu bestimmen. Außerdem wollen sie damit mehrere Gase erfassen, idealerweise gleichzeitig.
