Fast 100 % Messgenauigkeit 13.06.2014, 09:25 Uhr

Mini-Laser spürt Schadstoffe in Flüssigkeiten auf

Ein Tropfen auf den nur wenige Millimeter großen Chip genügt, um Schadstoffe in Flüssigkeiten zu messen. Möglich wird das durch einen winzigen Laser und Detektor, die beide nur 50 Tausendstel Millimeter voneinander entfernt liegen. Das ermöglicht eine Messgenauigkeit auf 0,06 Prozent genau.

Das Messsystem der Forscher der TU Wien ist nur wenige Millimeter groß, bietet aber ausreichend Platz für Laser und Detektor. Schadstoffe in Flüssigkeiten lassen sich mit einer Genauigkeit von 0,06 Prozent bestimmen.

Das Messsystem der Forscher der TU Wien ist nur wenige Millimeter groß, bietet aber ausreichend Platz für Laser und Detektor. Schadstoffe in Flüssigkeiten lassen sich mit einer Genauigkeit von 0,06 Prozent bestimmen.

Foto: TU Wien

Die Forscher der Technischen Universität nutzen einen lange bekannten Effekt: Das Infrarotlicht eines Lasers wird von unterschiedlichen Materialien unterschiedlich stark absorbiert. Ein Detektor fängt es auf, eine elektronische Analyseeinheit ermittelt aus dem, was vom Licht übrig bleibt, die Moleküle, aus denen die Flüssigkeit besteht. Verfälscht wird eine solche Messung bislang durch Streuung und Reflexion des Lichts in der Flüssigkeit, außerdem noch durch Bestandteile der Luft.

Laser und Detektor finden auf einem Siliziumplättchen Platz

Das Team um Benedikt Schwarz vom Zentrum für Mikro- und Nanostrukturen der TU Wien hat die Fehlerquellen mit einer raffinierten Konstruktion beseitigt: Laser und Detektor befinden sich auf einem Siliziumplättchen. Beide werden im gleichen Arbeitsgang mit einer Technik namens Molekularstrahlepitaxie hergestellt.

Das Licht gelangt vom Laser (oben) außen am plasmonischen Wellenleiter (blaues Band) zum Detektor (unten rechts). Dabei wird es, je nach Zusammensetzung der Flüssigkeit, unterschiedlich absorbiert.

Das Licht gelangt vom Laser (oben) außen am plasmonischen Wellenleiter (blaues Band) zum Detektor (unten rechts). Dabei wird es, je nach Zusammensetzung der Flüssigkeit, unterschiedlich absorbiert.

Foto: TU Wien

Die Atome werden Schicht für Schicht auf der Unterlage aus Silizium abgeschieden. Die beiden Bauelemente haben einen Abstand von lediglich 50 Tausendstel Millimetern und sind von vornherein exakt justiert. Um das gesamte Infrarotlicht, das die Laserdiode erzeugt, nutzen zu können, haben die Wiener Forscher die beiden Bauelemente zudem mit einem raffinierten Lichtleiter verbunden. Der so genannte Oberflächen-Plasmonen-Wellenleiter aus Gold und Siliziumnitrid transportiert Licht nicht wie ein Glasfaserkabel in seinem Inneren. Es gleitet vielmehr auf der Oberfläche, wie ein Windsurfer auf der Wasseroberfläche.

Prototyp arbeitet auf 0,06 Prozent genau

Die Lichtquelle besteht aus mehreren hintereinander geschalteten Lasern. Wissenschaftler sprechen von Quantenkaskadenlasern. Dessen Baugruppen lassen sich variieren und damit die Wellenlänge des emittierten Infrarotlichts. Da Lichtquelle und Detektor extrem klein sind, lassen sich auf einem Siliziumplättchen gleich mehrere Bauteile aufbauen, sodass der Sensor unterschiedliche Flüssigkeiten analysieren kann. Einsetzbar ist er beispielsweise zur Überprüfung von Trinkwasser auf Schadstoffspuren. Seine Genauigkeit ist verblüffend: Ein Prototyp bestimmte den Wasseranteil in einem Gemisch mit Alkohol auf 0,06 Prozent genau.

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