Fortgeschrittene stand-off Raman Spektroskopie für chemisches Messen aus der Ferne

Die schnelle, empfindliche und einfache Detektion sowie Bildgebung von chemischen Substanzen wie Sprengstoffen aus der Ferne ist von zunehmender Wichtigkeit für die Sicherheit und das Wohlergehen jeder zivilisierten Gesellschaft. Ein vielversprechender Ansatz um diesen steigenden Anforderungen gerecht zu werden ist die stand-off Raman Spektroskopie. Bei der Raman Spektroskopie wird molekülspezifische Information durch die Messung inelastisch gestreuter Photonen eines Laserstrahls, der auf die zu untersuchende Probe gerichtet wird, erhalten. Durch den Einsatz von gepulsten Lasersystemen kann die spektrale Information innerhalb kurzer Zeit (wenigen Sekunden) aus der Ferne gewonnen werden. Die Raman Spektroskopie ist zwar eine molekülspezifische Technik, der allerdings schwache Effekt wird aber oft von störender Fluoreszenz oder dem Signal des Probenhintergrundes überlagert. Als direkte Konsequenz ist es nötig stand-off Raman Methoden mit gesteigerter Empfindlichkeit zu entwickeln. Mit dem vorliegenden Projektantrag wird das Ziel verfolgt eine verbesserte Fernerkundung durch den Einsatz von UV Anregung, kürzerer Laserpulse (im Picosekundenbereich) und spatial- offset Raman Spektroskopie zu erreichen. Zusätzlich zur gesteigerten Empfindlichkeit der Methode soll ein bildgebendes Verfahren ortsaufgelöste, chemische Informationen aus der Ferne liefern. Durch die enge Zusammenarbeit mit dem Österreichischen Bundesheer bietet sich die Möglichkeit die Robustheit der Methode im Feldeinsatz zu evaluieren. Als weitere Anwendung soll die Methode zur on-line Überwachung von chemischen Reaktoren und zur Prozesskontrolle in der Metallurgie zum Einsatz kommen.

Erhöhter Sicherheitsbedarf durch potentielle individuelle Angriffe durch Einzeltäter oder Kleingruppen verlangt nach neuen und leistungsstarken Detektionsmethoden, die die Gefahr für Personal und Gerät minimieren. In diesem Zusammenhang wurde an der TU Wien am Institut für chemische Technologien und Analytik intensiv an der Anwendung von Raman Spektroskopie für die Detektion von Chemikalien aus der Ferne gearbeitet. Dazu wird das Licht eines Lasers auf eine entfernte Probe gestrahlt, anschließend das zurückgestreute Licht aufgefangen und spektral analysiert. Dabei entsteht ein spektraler Fingerabdruck der vorhandenen Moleküle, der eindeutig einer oder mehrerer chemischer Substanzen zuzuordnen ist. Das Ziel dieses Projekt umfasste die Verbesserung der bereits bestehenden Infrastruktur, die Anpassung des Systems auf bildgebende Verfahren zur besseren Überwachung größerer Flächen, die Verkleinerung zu einem mobilen Aufbau und die Anwendung auf sicherheitstechnische Fragestellungen, sowie das Finden geeigneter Schnittstellen dieser Technik in Bezug auf die Anwendung in der chemischen Prozesskontrolle. Es konnte gezeigt werden, dass mit Hilfe von ortsaufgelöster Detektion der gestreuten Strahlung der unbekannte Inhalt verschiedener Behälter auf Distanzen bis 12 m bestimmt werden kann. Der Umbau auf ein direktes, bildgebendes Verfahren und einem kleineren, luftgekühlten Laser verkleinerte den Aufbau wesentlich und ermöglicht nun eine mobile Plattform für die Fernerkundung mittels Raman Spektroskopie. Mit diesem neuen Aufbau konnte ein höherer Durchsatz bei gleichzeitig verbesserter örtlicher Auflösung erzielt werden. Dies wurde anschließend mittels chemometrischer Algorithmen ausgenutzt, um schnelle und leistungsfähige Klassifikatoren zu entwickeln, mit dem Ziel, einem potenziellen Endbenutzer ein einfaches Werkzeug zur Bestimmung gefährlicher Stoffe aus der Distanz über Falschfarbenbilder in die Hand zu geben. Weiters wurde der Einsatz des direkt abbildenden Prototypen auf die Identifizierung von Farbpigmenten, meist in schwer zugänglichen Fresken und Wanddekor zu finden, getestet. Dazu wurden Proben ikn Kooperation mit der Universidad de Jaén erzeugt und vermessen, im Hinblick auf reale Fragestellungen in der Restauration antiker Paläste (Alhambra). Zugleich wurde in Kooperation mit dem Institut für thermische Verfahrenstechnik eine Kombination aus Laser-Doppler-Anemometrie (LDA) und Raman Spektroskopie entwickelt, die es ermöglicht, chemische Prozesse und strömungsspezifische Parameter (Mischungsvorgänge, Reaktionen) in-situ gleichzeitig und ortsaufgelöst zu messen. Dies ermöglicht es einen tieferen Einblick in die Strömungsmechanik chemischer Prozesse zu gewinnen und stellet eine neuartige und vielversprechende Technik dar, die auch zum Patent angemeldet wurde.