Forscher verfeinern Verfahren zur optischen Analyse von Spurengasen

Professor Gernot Friedrichs von der Universität Kiel hat einen neuen Ansatz entwickelt, um störende Signale in der Laserabsorptionsspektroskopie unsichtbar zu machen.

Die laserbasierte Absorptionsspektroskopie ist eine wichtige Methode, um die Konzentration von Gasbestandteilen in einer Probe zu bestimmen. Moderne Geräte sind hochspezialisiert für den Nachweis ganz bestimmter Gase, zum Beispiel von Spurengasen in der Atmosphäre, in Verbrennungsabgasen und in technisch angewandten Plasmen. Gemessen wird dazu der Anteil an Licht einer bestimmten Wellenlänge, der von einer Probe absorbiert, also abgeschwächt wird. Daraus lässt sich auf die Konzentration des Gases schließen. Die gewählte Wellenlänge hängt davon ab, welches Molekül nachgewiesen werden soll. Ein häufiges Problem dabei ist, dass – selbst bei geschickt gewählter Wellenlänge – verschiedene Moleküle das Licht absorbieren können.

„Die Absorptionsspektren der unterschiedlichen Gasmoleküle überlagern sich teilweise sehr stark. Das bedeutet, wenn ich Molekül A nachweisen will, bekomme ich immer auch ein mehr oder weniger starkes Signal von Molekül B“, erklärt Professor Gernot Friedrichs vom Institut für Physikalische Chemie der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU). Diese sogenannte Kreuz- oder Querempfindlichkeit schränkt die Messmethode ein. Bisher umgeht man dieses Problem durch zusätzliche Messungen bei unterschiedlichen Wellenlängen, also der Messung von Spektren, oder man trennt die störenden Gase mittels gaschromatographischer Verfahren vor der eigentlichen Messung ab.

Dass es auch einfacher geht, haben Friedrichs und sein ehemaliger Doktorand, Dr. Ibrahim Sadiek vom Leibniz-Institut für Plasmaforschung und Technologie e.V., Greifswald, gezeigt. Sie haben eine Methode entwickelt, um diese Kreuzempfindlichkeit in der Absorptionsspektroskopie selbst bei Messung mit nur einer Wellenlänge zu überwinden. Die Machbarkeitsstudie des neuen, zum Patent angemeldeten und auf selektiver optischer Sättigung beruhenden 2S1W-Verfahrens (engl. two-species one-wavelength), wurde kürzlich im Wissenschaftsjournal Scientific Reports veröffentlicht.

Störende Signale durch optische Sättigung ausschalten

Das neue Verfahren nutzt das Phänomen der optischen Sättigung in Molekülen aus. Der Zustand der optischen Sättigung tritt nur bei hohen Lichtintensitäten auf, wie sie heutzutage mit Lasern allerdings recht leicht erzeugt werden können. Die Teilchen sind dann für die Absorptionsspektroskopie „durchsichtig“, das heißt, das eingestrahlte Licht wird nicht mehr abgeschwächt. Wann die Teilchen durchsichtig werden, ist eine Eigenschaft der jeweiligen Gasart. Bisher wurde die optische Sättigung für Absorptionsmessungen als störend eingestuft und tunlichst vermieden, da sie die Konzentrationsmessung verfälscht. In ihrer Studie konnten Sadiek und Friedrichs nun aber zeigen, dass es mittels gezielter selektiver optischer Sättigung sogar gelingt, bei fest gehaltener Wellenlänge die Konzentrationen zweier sich komplett gegenseitig störender Moleküle getrennt zu bestimmen.

„In einer speziellen Messzelle haben wir dazu die Lichtintensität sehr schnell und über einen weiten Bereich variiert. Bei geringer Lichtintensität wird die Summe der Absorptionen beider Spezies gemessen, bei der hohen Intensität ist eines der Moleküle gesättigt. Wir haben also nur noch das Signal von einer Spezies detektiert. In unserem Fall war das Chlormethan, das Methan war bereits gesättigt.“, betont Sadiek. „Als wir das das erste Mal versucht haben, waren wir fasziniert davon, wie gut es wirklich funktioniert, auf diese an sich einfache Weise die Signale beider Spezies voneinander zu trennen.“

Ein typisches Problem in der Praxis ist zum Beispiel der Nachweis von chlorierten Kohlenwasserstoffen, die in der Atmosphäre in sehr niedrigen Konzentrationen vorkommen. „Wenn man die nachweisen will, ohne die Mischung vorher aufzutrennen, bekommt man automatisch das Problem, dass die höher konzentrierten Spurengase wie Kohlenstoffdioxid oder Methan und insbesondere auch Wasserdampf, also die Luftfeuchtigkeit, die Messung stören. Durch unsere Methode können wir diese störenden Gase einfach aus dem Spektrum ausblenden“, verdeutlicht Friedrichs.

In aktuellen Projekten zur Meeresforschung arbeitet seine Arbeitsgruppe daran, das Verfahren für den Einsatz in herkömmlichen Absorptionsspektrometern weiterzuentwickeln. Das Potenzial zur Reduktion von Kreuzempfindlichkeiten soll dann in Feldmessungen demonstriert werden, um Austauschprozesse an der Wasser-Luft-Grenzfläche noch besser untersuchen zu können. Prinzipiell geeignet sei das Verfahren auch für den gleichzeitigen Nachweise sehr vieler Spurengase, wenn diese eine ausreichend unterschiedliche Sättigungsintensität aufweisen.

Fotos stehen zum Download bereit:
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Der Aufbau des Laserabsorptionsspektrometers für die selektive optische Sättigung im Labor.
© Institut für Physikalische Chemie, Uni Kiel

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Der Nachweis von sehr gering konzentrierten Spurengasen in der Atmosphäre kann mit der Suche nach den vereinzelten Tannen in einem Fichtenwald verglichen werden. Das Bild soll vermitteln, dass durch selektive optische Sättigung die unerwünschten Informationen – hier die Fichten – wie unter einem Zaubermantel verschwinden.
© Illustration: Gernot Friedrichs, Uni Kiel

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In der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Gernot Friedrichs am Institut für Physikalische Chemie werden hochempfindliche Laserabsorptionsverfahren weiterentwickelt, um neue Anwendungsgebiete zu erschließen.
© privat

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Dr. Ibrahim Sadiek hat im Rahmen seiner Dissertation in der Arbeitsgruppe von Prof. Friedrichs das neue Verfahren erstmals erprobt und arbeitet jetzt am Leibniz-Institut für Plasmaforschung und Technologie e.V., Greifswald
© privat

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr. Gernot Friedrichs
Institut für Physikalische Chemie, CAU
Arbeitsgruppe Reaktionskinetik & Laserspektroskopie
Tel.: 0431/880-7742
friedrichs@phc.uni-kiel.de

Dr. Ibrahim Sadiek
Leibniz-Institut für Plasmaforschung und Technologie e.V., Greifswald
Tel.: 03834/554-3904
ibrahim.sadiek@inp-greifswald.de

Originalpublikation:

Sadiek I, Friedrichs G. Two species–one wavelength detection based on selective optical saturation spectroscopy. Sci Rep 13, 17098 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-44195-3

Weitere Informationen:

http://www.uni-kiel.de/de/detailansicht/news/001-optische-saettigung