Infrarot-Spektroskopie

Die Infrarot-Spektroskopie als physikalisches Sensorprinzip ist ein etabliertes Verfahren in der Sensorik, um Stoffkonzentrationen und Zusammensetzungen von Stoffgemischen sehr selektiv und langzeitstabil zu bestimmen. InfraTec produziert verschiedene Einkanalsensoren für analytische Instrumente und Spektrometer.

Infrarot-Detektoren für breitbandige Quellen und FTIR-Spektroskopie

Das qualitativ hochwertige Lithiumtantalat (LiTaO3) ist ein extrem leistungsfähiges und vielseitiges Detektormaterial. Es ist nicht nur preiswerter als viele andere Materialien, z. B. deuteriertes Triglycinsulfat (DTGS) oder Quecksilber-Cadmium-Tellurid (MCT), sondern weist auch eine hervorragende Temperaturstabilität und Linearität auf. Durch eine spezielle Metallschwarzschicht absorbiert der Infrarotdetektor von InfraTec Strahlung über einen sehr breiten Wellenlängenbereich von 2 µm bis weit über 20 µm extrem gleichmäßig. Dabei benötigt der pyroelektrische LiTaO3-Detektor weder eine Kühlung noch eine Temperaturstabilisierung. Daher eignet er sich ideal für kostengünstige und robuste Spektrometer, insbesondere für den Einsatz außerhalb des Labors. Lösungen, die auf Detektormaterialien wie DTGS oder MCT basieren, geraten hier schnell an ihre Grenzen. Sie sind störanfälliger und verursachen höhere Kosten..

Durchstimmbare Detektoren mit integriertem Fabry-Pérot-Filter

Durch den Einsatz durchstimmbarer Detektoren mit integriertem Fabry-Pérot-Filter (FPF) eröffnen sich Anwendern neue Möglichkeiten. Wer bereits die Spektroskopie für verschiedenste Analysen nutzt, kann mit einem Fabry-Pérot-Interferometer (FPI) auf ein deutlich kleineres Bauteil mit ähnlicher Funktionalität zurückgreifen.

Andere Anwender setzen dagegen bisher klassische Mehrkanaldetektoren in einem TO8-Gehäuse ein und sind dadurch auf maximal vier diskrete Wellenlängen limitiert. Durchstimmbare Detektoren stellen für sie die perfekte Alternative dar, um kontinuierliche Spektren mit niedriger Auflösung, in begrenzten Spektralbereichen zu erfassen und eine extrem kompakte und preiswerte Spektroskopielösung im MIR zu realisieren.

Denn mit durchstimmbaren Detektoren lassen sich Messaufgaben lösen, bei denen klassische NDIR-Lösungen wie Mehrkanaldetektoren versagen. Ein Beispiel dafür sind Analysen, bei denen gasförmige Kohlenwasserstoffe eine Rolle spielen. Diese Gase weisen sehr eng aneinander liegende bzw. sich überlappende Absorptionsbanden auf. Eine Messung erfordert deshalb mehrere extrem eng spezifizierte Schmalbandpassfilter. Das gelingt wesentlich einfacher mit einem durchstimmbaren Filter. Mit seiner Hilfe können durch einen Detektor mehr Gase unterschieden werden. Darüber hinaus können mit diesem Filter auch unbekannte Gase nachgewiesen werden.

Diese elektrisch durchstimmbaren FPF basieren auf Silizium-MEMS-Technologie. Der daraus resultierende Miniaturisierungsvorteil führt dazu, dass für die Integration eines FPI ein TO8-Gehäuse ausreicht. Darin enthalten sind ein pyroelektrischer Detektor (FPI-Detektor) inklusive eines Signalvorverstärkers sowie elektronische Komponenten zur integrierten Regelung. Dieses Design erleichtert zusätzlich die Adaption bereits vorhandener Konstruktionen, um schnell und mit geringem Aufwand zu neuen messtechnischen Lösungen zu gelangen.

Anwendungsgebiete der Infrarot-Spektroskopie

Die genaue Zusammensetzung von Feststoffen, Flüssigkeiten und Gasen zu kennen, ist unter unterschiedlichsten Aspekten relevant. Meist sollen Qualität und Quantität beliebiger organischer und anorganischer Verbindungen ermittelt werden. Entsprechend breit gefächert sind die Anwendungen der Infrarotspektroskopie. Häufig genutzt wird die Methode für folgende Zwecke:

  • Umwelttechnik und Klimaforschung: Schadstoffemissionen messen, Kunststoffe bei der Müllsortierung identifizieren, Lecks an Leitungen suchen, Zusammensetzung der Atmosphäre bestimmen
  • Messung auf Oberflächen: Verunreinigungen detektieren, vollständige Benetzung mit Schmiermitteln sicherstellen, Art und Dicke von Beschichtungen bestimmen
  • Explosionsfähige Atmosphären: z. B. erkennen, ob gefährliche Gemische aus Luft und brennbaren Gasen, Dämpfen oder Nebeln anzutreffen sind
  • Medizintechnik: Anästhesiegase überwachen, Kapnometrie, chemische Zusammensetzung von Gewebe durch Spektralmessung zur Erkennung von Krankheiten bestimmen, Atemalkohol bestimmen
  • Ölanalyse: z. B. Zustand von gebrauchtem Getriebeöl überwachen
  • Lebensmittelqualitätskontrolle: z. B. Zusammensetzung von Lebensmittelzutaten analysieren
  • Forensik: z. B. Textilfasern identifizieren, Fälschungen identifizieren
  • Pharmazeutische Analyse: neu formulierte Arzneimittel prüfen
  • Analyse von Polymeren und Kunststoffen: z. B. Verbindungen identifizieren, Verunreinigungen identifizieren
  • Prozesskontrolle: z. B. Einhaltung von Materialspezifikationen überwachen
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So riecht Medizin

Cannabis dient als Grundlage für Öle, Düfte, Kleidung, Rauschmittel – und als Medizin. Schon vor mehreren tausend Jahren verwendeten die Chinesen es als Mittel gegen Rheuma. Heute beschäftigen sich Forscher weltweit wieder mit der medizinischen Nutzung der Pflanze. Die Frage, welche Pflanzenart welche Wirkstoffe enthält, können Analysen mit Infrarotsensoren beantworten.

Weitere Anwendungsgebiete für FPI-Detektoren

  • Umwelttechnik und Klimaforschung
    - Messung von Schadstoffemissionen
    - Identifikation von Kunststoffen bei der Müllsortierung
    - Lecksuche an Leitungen
    - Zusammensetzung der Atmosphäre

  • Messung auf Oberflächen
    - Verunreinigungen detektieren,
    - Vollständige Benetzung mit Schmiermitteln sicherstellen
    - Art und Dicke von Beschichtungen bestimmen

  • Identifikation von Festkörpern

  • Identifikation von Verunreinigungen oder Fälschungen

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