Forschung & Entwicklung

Quantenkaskadenlaser misst Ethanol

Quantenkaskadenlaser können kleinste Moleküle hochpräzise messen. Bei größeren Gasmolekülen allerdings versagt die Technologie bisher. Nun wurde eine Methode entwickelt, Ethanol in einem Gasgemisch mithilfe eines solchen Lasers zu quantifizieren.

Die Quantenkaskadenlaser-Spektrometrie gilt als etablierte Methode, um unterschiedliche Gaskonzentrationen effektiv und genau zu messen. Dabei fanden die Lasergeräte bislang vor allem bei der Messung von kleinen Molekülen Anwendung, beispielsweise von gasförmigen Luftschadstoffen oder Treibhausgasen. Forscher an der schweizerischen Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) ist es nun gelungen, ein Laserspektrometer so zu optimieren, dass größere Moleküle messbar werden. „Wir konnten die Feinstruktur der Infrarotabsorption von Molekülen sichtbar machen“, erklärt Lukas Emmenegger, Leiter der Abteilung Air Pollution/Environmental Technology.

Um die Konzentrationen der verschiedenen Moleküle in einem Gasgemisch festzustellen, wird ein Laserstrahl durch eine sogenannte Mehrfachreflektionszelle auf das Gasgemisch geschossen, wobei das Licht des Lasers dann von den Gasmolekülen absorbiert wird. Je höher die Absorption des Lichts, umso höher ist die Konzentration der betreffenden Moleküle. Um nun auch größere Moleküle quantifizieren zu können, nutzten die Forscher einen Laser mit sehr hoher Auflösung und reduzierten den Druck der Gasprobe. Dadurch wurden feinste Abweichungen in den Spektren sichtbar.

Diese neue Messmethode der Empa-Forscher wird bereits eingesetzt. In Zusammenarbeit mit dem Eidgenössischen Institut für Metrologie (METAS) hat das Team ein Gerät entwickelt, welches nun dazu verwendet wird, die Referenzgase zu vergleichen, mit denen Alkoholmessgeräte kalibriert werden. Dabei wird die Konzentration von Ethanol in synthetischem Atem – also einem Gemisch aus Ethanol, Wasser, Kohlendioxid und Stickstoff – gemessen und das präziser als mit bisherigen Methoden.

Weltweit kommen unterschiedliche Methoden zur Herstellung der Referenzgase zum Einsatz. Allerdings erzielen diese Methoden unterschiedliche Resultate: Eine unbefriedigende Lösung, denn bei der Kalibrierung von Alkoholmessgeräten können wenige Prozent Differenz viel bewirken. Mit dem Quantenkaskadenlaser können nun diese Referenzgase genau und verlässlich verglichen werden. Eine wichtige Aufgabe, denn auch für die Gerätehersteller ist es bislang relevant, mit welchen Referenzgasgemischen verglichen wird. Das kann dazu führen, dass das gleich justierte Gerät in einem Land die Anforderungen erfüllt, im anderen jedoch nicht, und zwar bloß, weil das betreffende Land mit einer anderen Methode justiert. Die zuverlässige Messung mit dem Quantenkaskadenlaser kann dabei helfen, die Referenzsysteme so zu vereinheitlichen, dass die Anforderungen in verschiedenen Ländern gleichermaßen erfüllt werden können.

Emmenegger und sein Team denken jedoch bereits weiter, denn die Methode, unterschiedliche organische Moleküle von unterschiedlicher Größe genau messen zu können, bietet eine Vielzahl weiterer Anwendungsmöglichkeiten. Dank dem gemeinsamen Projekt mit dem METAS konnten die Forscher einen Ansatz entwickeln, der viele weitere Anwendungen ermöglicht, beispielsweise in der medizinischen Analyse von Atemluft oder in der Umweltbeobachtung.

von mn

Originalveröffentlichung:

[O. Aseev, B. Tuzson, H. Looser, P. Scheidegger, C. Liu, C. Morstein, B. Niederhauser, L. Emmenegger, High-precision ethanol measurement by mid-IR laser absorption spectroscopy for metrological applications, Opt. Express (2019), DOI: 10.1364/OE.27.005314]

www.empa.ch

www.metas.ch

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