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Quantenkaskaden-Laser misst Ethanol

Feinarbeit für grosse Brocken

Optics Express 27, 5314 (2019)

Simuliertes Absorptionsspektrum von Atem mit leicht erhöhtem Alkoholgehalt. Mit Laserspektroskopie können auch beim Ethanol (rote Linie) feine Strukturen sichtbar gemacht werden, welche die selektive und empfindliche Messung erlauben.

01.04.2019: Quantenkaskaden-Laser können kleinste Moleküle hochpräzise messen. Bei grösseren Gasmolekülen allerdings versagt die Technologie – bis jetzt! Forscher der Empa haben es geschafft, Ethanol, ein wichtiges organisches Molekül, mit Hilfe eines solchen Lasers zu quantifizieren. In Zusammenarbeit mit dem Eidgenössischen Institut für Metrologie (METAS) hat ein Forscherteam erfolgreich eine Methode entwickelt, um die Ethanolkonzentration in einem Gasgemisch mit sehr hohem Anteil an Wasserdampf und Kohlendioxid äusserst genau zu bestimmen.

Die Quantenkaskaden-Laser-Spektrometrie gilt mittlerweile als etablierte Methode, um unterschiedliche Gaskonzentrationen effektiv und genau zu messen. Dabei waren die Lasergeräte bislang besonders erfolgreich bei der Messung von kleinen Molekülen, beispielsweise von gasförmigen Luftschadstoffen oder Treibhausgasen. Forscher an der Empa ist es nun jedoch gelungen, ein Laserspektrometer so zu optimieren, dass grössere Moleküle messbar werden. «Wir konnten die Feinstruktur der Infrarotabsorption von Molekülen sichtbar machen», so 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, reduzierten den Druck der Gasprobe und schauten ganz genau hin. Dadurch wurden feinste Abweichungen in den Spektren sichtbar (siehe Grafik).

Erfolgreiche Zusammenarbeit

Diese neue Errungenschaft der Empa-Forscher ist so erfolgreich, dass sie bereits eingesetzt wird. 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 weitaus präziser als mit bisherigen Methoden. Die Alkoholmessgeräte von Polizisten werden beispielsweise vom METAS zugelassen und geeicht. Dabei kommen weltweit 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. Um einheitliche und vergleichbare Messresultate gewährleisten zu können, ist deshalb in der Schweiz eine genau definierte Referenzmethode vorgeschrieben, bei der ein Kalibriergas durch Sättigung mit einem Alkohol-Wassergemisch hergestellt wird.

Verlässliche und einheitliche Daten

«Mit dem Quantenkaskaden-Laser können nun diese Referenzgase genau und verlässlich verglichen werden», so Emmenegger. 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.

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"; Optics Express; 2019

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