Fingerprint-Spektroskopie mit vielfältiger Anwendung

13.11.2019

Am Fraunhofer IAF in Freiburg wurde ein Messsystem entwickelt, das die kontaktlose Identifizierung verschiedenster Substanzen in Echtzeit ermöglicht. Das System eignet sich daher ideal für den Einsatz in der Pharma-, Chemie- und Lebensmittelindustrie.

© Fraunhofer IAF
Quantenkaskadenlaser mit Emissionswellenlängen im mittleren Infrarotbereich und hoher Scanfrequenz von bis zu 1 kHz.
© Fraunhofer IAF
Demonstrator des Messsystems zur kontaktlosen Identifizierung verschiedenster chemischer Substanzen in Echtzeit.

Eine kontinuierliche Überwachung der Inhaltsstoffe ist in der Pharma- und Lebensmittelproduktion unverzichtbar. Bisher erfolgte die aufwendige Überwachung per Chromatographie oder einem Spektrometer im Labor. Das am Fraunhofer IAF entwickelte Messsystem identifiziert bereits kleinste Mengen von Stoffen anhand ihrer molekularen Zusammensetzung und ermöglicht somit eine Qualitätskontrolle in Echtzeit.

Messverfahren

Das Herzstück des Messsystems ist ein Quantenkaskadenlaser (QCL). Das Messprinzip basiert auf einer selektiven Beleuchtung der jeweiligen Substanz im mittleren infraroten (IR) Wellenlängenbereich. Anhand der Intensität des diffus zurückgestreuten Lichts und der Beleuchtungswellenlänge wird ein sogenannter spektraler Fingerabdruck bestimmt. Dieser ist für die jeweilige chemische Substanz charakteristisch. Der spektrale Fingerabdruck wird mit einer integrierten Datenbank, die eine große Anzahl an chemischen Substanzen enthält, abgeglichen und dadurch identifiziert.

Der entwickelte Quantenkaskadenlaser zeichnet sich durch eine extrem variable Scangeschwindigkeit, eine kompakte Größe sowie durch eine breite Durchstimmbarkeit aus. Dies wird durch die Kombination des QCLs mit einem externen Resonator erreicht, der den gesamten Spektralbereich des QC-Laserchips innerhalb von nur 1 ms überstreicht und die Aufnahme von tausend kompletten IR-Spektren pro Sekunde ermöglicht.

Einsatzmöglichkeiten

Das Messsystem ermöglicht nicht nur eine kontaktlose Identifizierung verschiedenster chemischer und pharmazeutischer Substanzen in Echtzeit. Es kann auch dazu eingesetzt werden, chemische Reaktionsprozesse kontinuierlich zu überwachen. Somit können die bisherigen aufwendigen Messverfahren im Labor durch Echtzeitmessungen während des laufenden Produktionsprozesses ersetzt werden.

Über die Pharma-, Chemie- und Lebensmittelindustrie hinaus können Quantenkaskadenlaser in der Schadstoffüberprüfung, der medizinischen Diagnostik und dem Sicherheitssektor eingesetzt werden. Die kompakte Bauform der Lasermodule ermöglicht zudem die Entwicklung von mobilen bis hin zu handgehaltenen Messsystemen.