Infrarot Gassensoren basierend auf hohlen Lichtwellenleitern

Forschungsprojekt P 14121Infrarot Gassensoren basierend auf hohlen LichtwellenleiternBoris MIZAIKOFF24.01.2000 Die Überwachung von Gasen bzw. von gasförmigen Verunreinigungen in der Industrie ist ein großes und weitgehend ungelöstes Problem der analytischen Chemie. Standardmethoden sind zwar empfindlich und flexibel, aber meist auf Laborbedingungen beschränkt. Weiters sind diese Analysen zeitaufwendig und erfordern das Sammeln diskreter Proben. Chemische Sensoren sind derzeit nur für die kleine Anzahl chemischer Verbindungen verfügbar und in vielen Fällen zu unempfindlich. Daher wäre ein neuer chemischer Sensor mit der Fähigkeit zur On-line- und Echtzeitanalyse einer großen Anzahl verschiedener Gasbestandteile von hohem kommerziellen Interesse. Dieses Projekt behandelt die Entwicklung eines neuartigen Gassensorsystems basierend auf hohlen Lichtwellenleitern (HWG) für infrarote Strahlung. Dieses System ermöglicht, eine große Anzahl verschiedener Analyten in der Gasphase unter Prozessbedingungen in Echtzeit zu überwachen. Der Lichtwellenleiter agiert dabei als Multireflexionsgasküvette und sorgt dadurch für die erforderliche Empfindlichkeit der Methode, während ein miniaturisiertes FT-IR Spektrometer die benötigten molekülspezifischen Informationen liefert. Durch Kopplung mit nichtdispersiven Lichtquellen können auch IR-Sensormodule für die Analyse vorgegebener Zielanalyten entwickelt werden. Das Projekt ist in drei Teilen (WP) organisiert. WP 1 umfaßt die Entwicklung eines HWG-Sensormoduls, die Charakterisierung dieser Einheit mit einem Labor-FT-IR Spektrometer und die Entwicklung eines industriell einsetzbaren Sensorkopfmoduls. WP 2 beschäftigt sich mit der Entwicklung eines miniaturisierten FT-IR Moduls mit einem HWG-Sensorkopfmodul ergibt ein vielseitig einstzbares Messsystem für die Analyse von Multikomponentengemischen oder von Gasgemischen mit wechselnden Bestandteilen. WP 3 wird sich mit der Entwicklung nicht-dispertiver IR-Module für die Überwachung selektierter Zielanalyten beschäftigen. Ein HWG- Modul wird dazu mit Infrarot-Quantenkaskadenlasern gekoppelt werden. Diese Kombination wird ein hochempfindliches System für die Spurengasanalytik liefern. International ausgewiesene Partner aus dem akademischen als auch aus dem kommerziellen Bereich, haben ihre Kooperation zur Entwicklung des vorgestellten, vielfältig anwendbaren und kommerziell interessanten Sensorsystems zugesagt.

Ziel dieses Projektes war die Entwicklung einer neuen Generation von Infrarot Gassensoren zur Multikomponentenanalyse von volatilen organischen Verbindungen direkt in der Gasphase oder nach Extraktion aus wäßriger Lösung. Mehrere Prototypen wurden entwickelt, konstruiert und optimiert und anschliessend unter Laborbedingungen, sowie in weiterer Folge unter Realbedingungen hinsichtlich ihre Anwendbarkeit in der Prozessanalyse und in der Umweltanalytik untersucht. Die Sensorsysteme zur Prozessanalytik bestehen aus zwei Komponenten: aus einem neuartigen hohlen Lichtwellenleiter ("hollow waveguide") transparent im Spektralbereich des mittleren Infrarot (IR) und aus einem miniaturisierten Kapillarmembranextraktor. Der Membranextraktor besteht aus einer dünnwandigen Silikonmembran, die um eine Edelstahlspindel gewickelt ist. Wird der Membranextraktor in eine wäßrige Lösung getaucht, erfolgt Permeation von volatilen Analytmolekülen durch die Membran in einen Inertgasstrom, der innerhalb der Polymerkapillare geführt wird. Dieser transportiert die Analytmoleküle in das innere des hohlen Lichtwellenleiters. Der hohle Lichtwellenleiters ist eine optische Faser aus Silikatglas mit einem koaxialen hohlen Kern, der mit einer IR-reflektierenden Schicht versehen ist. Dieser innere Hohlraum kann simultan als miniaturisierte Gasmeßzelle genutzt werden. Die eingekoppelte IR-Strahlung wird mehrfach intern reflektiert, ehe sie aus dem Lichtwellenleiter austritt und auf einen IR-Detektor fokussiert wird. Der Vorteil des hohlen Lichtwellenleiters ist die vergleichsweise hohe optische Weglänge, im Verhälnis zu dem kleinen internen Volumen. Das niedrige Volumen erlaubt rasche Ansprechzeiten auf Änderungen in der Gaszusammensetzung bzw. Konzentrationsschwankungen. Mit der simultane Detektion von Benzol, Toluol, sowie o-, m- und p-Xylol im unteren ppb Bereich konnte die Möglichkeit der Multikomponentenanalysen gezeigt werden. Darüberhinaus wurden wäßrige Lösungen verschiedener Alkohole im ppm Bereich untersucht. Weiters wurden chlorierte Kohlenwasserstoffe mit einem Detektionslimit von bis zu 750 ppt analysiert. 1.4-Dioxan konnte im unteren ppm Bereich detektiert werden. Ein Prototyp des entwickelten Sensors kam bei der Firma COGNIS GmbH (Düsseldorf/Deutschland) unter industriellen Realbedingungen zur kontinuierliche Überwachung des Methanolgehaltes von Prozessabwässern zum Einsatz. Die erfolgreiche Anwendung des Sensorsystems konnte in direktem Vergleich mit validierter Referenzanalytik mittels Prozessgaschromatographie gezeigt werden und bestätigt die Einsatzfähigkeit des entwickelten Sensorsystems in einem industriellen Umfeld. Das Sensorsystem zur Umweltanalytik kombiniert das neuentwickelte Gassensormodule mit einer Adsorptionseinheit, die Anreicherung von atmosphärischen Kompnenten erlaubt. Angereicherte Komponenten werden durch einen Thermo-Desorptionsschritt in den hohlen Lichtwellenleiter eingebracht und IR- spektroskopische detektiert. Für den Analyten Ethen konnte durch diesen Anreicherungsschritt ein Detektionslimit von ca. 1 ppb erzielt werden. Validierte Messkampagnen in alpinen Stationen (Tirol, Österreich) zeigen erstmals Einsetzbarkeit des entwickelten IR-spektroskopischen Sensorsystems in der kontinuierlichen Umweltanalytik von atmosphärischen Komponenten im Spurenbereich. Es ist zu erwarten, dass weitere Verbesserungen der Messmethodik, sowie der Extraktions- und Anreicherungsverfahren, eine Vielzahl an volatilen organischen Analyten im Spurenbereich für IR Gassensorik in der industriellen Prozess- und Abwasseranalytik, bzw. der atmosphärischen Umweltanalytik zugänglich machen werden.