Lasertechnik 13.05.2019, 16:55 Uhr

„Künstliche Schnüffelnase“: Gerät der TU Wien analysiert geringste Mengen an Gas

Laser machen es möglich. Die TU Wien entwickelt eine Messtechnik für kleinste Mengen an Gas. Was dahinter steckt, lesen Sie hier.

Vincent Moraes und Bernadette Schwartz an der Beschichtungsanlage

Foto: Niklas Stadler/TU Wien

Forschern an der Technischen Universität Wien ist es gelungen ein Gerät zu konzipieren, mit dessen Hilfe bereits winzigste Spuren von Gasen nachgewiesen werden können. Die wichtigste Komponente sind 2 Laser, die das Herzstück des Geräts bilden. Die ausgeklügelte Lasertechnik funktioniert wie eine „künstliche Schnüffelnase“. Mit ihrer Hilfe können die gesuchten Gase nämlich punktuell erhitzt werden. Als Resultat daraus verändert sich der Brechungsindex eben jener Gase. Der 2. Laser ist dafür verantwortlich, diese Veränderung wahrzunehmen. Zwar ist diese Messtechnik an sich keine Neuerung, jedoch ist das an der TU Wien entwickelte Gerät deutlich kompakter als bisherige Modelle. Zudem bedarf es deutlich geringerer Probemengen, um eine verlässliche Analyse zu generieren.

Wie funktioniert das Gerät?

Um bestimmte Moleküle aufspüren zu können, werden Laser bereits seit vielen Jahren in der Spurenanalytik eingesetzt. Den Forschern an der TU Wien ist es gelungen, die Messtechnik deutlich kleiner zu gestalten als bisherige Geräte. Das wurde letztlich ermöglicht, da die Messtechnik überarbeitet wurde. Vergleichbare Geräte machten sich bislang die Absorption der Lichtfarben zunutze. Um diese jedoch nachweisen zu können, musste der Laserstrahl bei bisherigen Geräten in der Regel über mehrere Meter durch das zu analysierende Gas gelenkt werden. Das Gerät der TU Wien verzichtet darauf, die Absorption zu messen und fokussiert sich stattdessen auf das Ermitteln von Veränderungen des optischen Brechungsindexes. Auf diese Weise können die genutzten Laser selbst auf einem sehr kleinen Raum arbeiten und die Moleküle abtasten. Diese Eigenschaft könnte fortan bei der Entwicklung neuer Messgeräte zum Einsatz kommen. Aufgrund der Miniaturisierbarkeit des innovativen Gerätes ist es nur eine Frage der Zeit, bis es Teil erster kompakter sowie tragbarer Messgeräte werden wird, mit deren Hilfe eine Vielzahl an Substanzen aufgespürt werden können.

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

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

Foto: Technische Universität Wien

Ausgangspunkt der Messtechnik ist die Eigenschaft von Molekülen

Moleküle können differenzierte Lichtfarben absorbieren. Mithilfe unterschiedlicher Wellenlängen der Laserstrahlen lassen sich Moleküle so gesehen abtasten. Abhängig von der Wellenlänge des Lasers wird der Strahl entweder durchgelassen oder absorbiert. Auf diese Weise ist es möglich, unterschiedliche Substanzen nachzuweisen und diese anhand ihrer spezifischen Eigenschaften und Reaktionen auf den Laser voneinander unterscheiden zu können. Hierfür wird eine spezielle Eigenheit von Molekülen genutzt. Sofern der Laser auf ein Molekül gerichtet wird, erhitzt sich dieses. Als Resultat ändert sich der Brechungsindex. Mithilfe des zweiten Laserstrahls sowie zweier zum Teil lichtdurchlässiger Spiegel kann das Molekül nachgewiesen werden. Hierfür wird der 2. Laser durch die Spiegel geschickt, die nur gewisse Wellenlänge durchlassen, ohne das Licht dabei absorbiert wird. Ändert sich nun der optische Brechungsindex, ist dies ein Nachweis für die Existenz des gesuchten Moleküls. Die Messtechnik nimmt dies wahr und kann in der Folge ein Signal aussenden, wenn ein spezifisches Gas nachgewiesen werden konnte.

Entwicklung zahlt sich aus – Messtechnik wird mehrfach prämiert

Bereits 2017 wurde Dr. Johannes Paul Waclawek für die Forschung und Entwicklung auf diesem Gebiet mit dem Prozessanalytik-Award geehrt. Gemeinsam mit seinem Professor Bernhard Lendl erhielt Waclawek im Februar dieses Jahres zudem den Anton Paar Forschungspreis für Instrumentelle Analytik & Charakterisierung. Mit diesem Preis werden Forscher ausgezeichnet und unterstützt, die besonders innovative sowie vielversprechende und markttaugliche Leistungen erbracht haben.

Technik auf andere Branchen übertragbar

Aufgrund der deutlichen Fortschritte im Bereich der Größe des Geräts kommen künftig deutlich mehr Einsatzmöglichkeiten für die neue Messtechnik infrage. So könnte sie unter anderem dabei helfen, eine mögliche Luftverschmutzung durch Abgase nachzuweisen. Zudem besteht die Möglichkeit, dass die Technik in der Medizin Anwendung findet, etwa zur Analyse der Atemluft. Weitere potenzielle Einsatzgebiete finden sich mit Blick auf die Industrie. Dort könnte das Gerät der TU Wien dazu genutzt werden, um die Produktion zu überwachen oder Teile der Qualitätsprüfung zu übernehmen. Mittlerweile wurde die neue Messtechnik bereits zum Patent angemeldet. Daher ist es wohl nur eine Frage der Zeit, bis sie die Basis für praktische Anwendungen darstellen wird.

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