Forschung & Entwicklung

Fingerprint-Spektroskopie in einer Millisekunde

Anhand eines neu entwickelten Messsystems ist eine kontaktlose Identifizierung verschiedener chemischer und pharmazeutischer Substanzen in Echtzeit möglich.

Insbesondere im Bereich der Pharma- und Lebensmittelproduktion ist eine kontinuierliche Überwachung der Inhaltsstoffe unverzichtbar. Üblicherweise erfolgt diese über eine Probenentnahme und eine Untersuchung im Labor per Chromatographie oder Spektrometer. Allerdings ist dieses Verfahren aufwendig und erlaubt lediglich eine stichprobenartige Kontrolle. Am Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF haben Forscher ein Messsystem entwickelt, das eine Qualitätskontrolle in Echtzeit ermöglicht. Es identifiziert bereits kleinste Mengen von Stoffen anhand ihrer molekularen Zusammensetzung.

Das Herzstück des Systems ist ein extrem schnell durchstimmbarer Quantenkaskadenlaser (QCL) im mittleren Infrarotbereich. Mittels Rückstreuspektroskopie lassen sich damit nicht nur kleinste Mengen chemischer Substanzen in Echtzeit identifizieren, das Lasersystem kann auch dazu eingesetzt werden, chemische Reaktionsprozesse kontinuierlich zu verfolgen. „Das vorgestellte Messsystem ermöglicht eine kontaktlose Identifizierung verschiedenster chemischer und pharmazeutischer Substanzen. So können aufwendige Messverfahren im Labor durch Echtzeitmessungen während des laufenden Produktionsprozesses ersetzt werden“, erklärt Dr. Marko Härtelt vom Fraunhofer IAF.

Mit seinen Kollegen arbeitet er bereits seit Jahren an der Entwicklung von QCLs für die Infrarotspektroskopie. Mit der Unterstützung des Fraunhofer IPMS haben die Wissenschaftler eine kompakte und robuste Laserquelle entwickelt, mit der der gesamte Wellenlängenbereich des QCL-Emitters innerhalb von einer Millisekunde abgetastet werden kann. Die Basis für diese Fingerprint-Methode ist der mittlere Infrarotbereich (4-12 μm). In diesem Wellenlängenbereich zeigen viele chemische Verbindungen ein charakteristisches spektrales Absorptionsverhalten und sind damit so individuell wie der menschliche Fingerabdruck. Der Wellenlängenbereich ermöglicht eine eindeutige Identifizierung der Art und Zusammensetzung der molekularen Verbindung.

Die am Fraunhofer IAF entwickelten Quantenkaskadenlaser zeichnen sich durch ihre variable Scangeschwindigkeit, ihre kompakte Größe sowie ihre breite Durchstimmbarkeit aus. Die Forscher haben einen QCL entwickelt, der mit hohen Scanfrequenzen oder quasistatisch über einen sehr weiten Wellenlängenbereich durchgestimmt werden kann. Dies wird durch die Kombination von Quantenkaskadenlasern in einem externen Resonator mit verschiedenen MOEMS-basierten Gitterscannern erreicht, die als wellenlängenselektive Elemente wirken. Die am schnellsten spektral durchstimmbaren resonanten MOEMS-Scanner ermöglichen die Aufnahme von tausend kompletten Infrarotspektren pro Sekunde. Diese hohe Scangeschwindigkeit ist für Anwendungen entscheidend, bei denen sich die Szenarien schnell ändern, wie etwa bei der Überwachung von chemischen Reaktionsprozessen oder bei sich bewegenden Objekten.

Durch die berührungslose Identifizierung verschiedenster chemischer Substanzen in Echtzeit eignen sich QCL-basierte Messsysteme für die Qualitätsüberwachung in verschiedenen industriellen Branchen. In der Pharma-, Chemie- und Lebensmittelindustrie liefern die Messsysteme Informationen über die Echtheit und Reinheit der Substanzen – und das zu jedem beliebigen Zeitpunkt des Produktionsprozesses. Ebenso können Quantenkaskadenlaser in der Schadstoffüberprüfung, medizinischen Diagnostik und dem Sicherheitssektor zum Einsatz kommen. Die kompakte Bauform der Lasermodule ermöglicht zudem die Entwicklung von mobilen bis hin zu handgehaltenen Messsystemen.

von mn

www.iaf.fraunhofer.de

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