Exakter Spurengasnachweis dank ultraempfindlicher Auf-Chip-Sensoren
Traditionelle High-End-Gassensoren sind in der Regel kostspielig und groß – typischerweise enthalten sie als größtes Bauteil ein Glasrohr mit einem Volumen von 100 Mikrolitern. Kleinere Sensoren können jedoch unzuverlässig sein, wenn nicht Spektroskopie zum Nachweis spezifischer Gasmoleküle dient. „Unser Ziel bestand darin, einen hochempfindlichen Spurengassensor zu entwickeln, der auch den leisesten ‚Duft‘ der in der Luft verteilten Moleküle wittern kann“, erklärt Projektkoordinatorin Jana Jágerská, außerordentliche Professorin an der Universität Tromsø – Norwegens Arktischer Universität(öffnet in neuem Fenster). „Die üblichen Sensoren sind meist für Umweltanwendungen nicht ausreichend spezifisch. Dort gibt es Probleme mit der Kalibrierungsdrift und weitere Schwierigkeiten“, stellt sie fest. Das Team des Projekts sCENT(öffnet in neuem Fenster) beseitigt das sperrige Gasrohr und ersetzt es durch einen Mikrochip in Kombination mit einer miniaturisierten mikrofluidischen Zelle von nur 20 Mikrolitern. Das Projekt sCENT wurde mit Unterstützung des Europäischen Forschungsrats(öffnet in neuem Fenster) durchgeführt. Die mikrofluidische obere Zelle bringt die Gasprobe zur Messung an die Oberfläche des Chips. „Die Probe kann einen Mikroliter klein sein“, sagt sie.
Genaue Detektion dank Spektroskopie
Zum Nachweis spezifischer Gase wurde die Spektroskopie mit dem bahnbrechenden Wellenleiterdesign des Projekts kombiniert. „Verschiedene Absorptionsspitzen in den Spektren sind eindeutig mit verschiedenen chemischen Molekülen verknüpft“, erklärt Jágerská. „Anhand der spektralen Position dieser Spitzenwerte wissen wir genau, welche Gase in unserer Probe enthalten sind, und die Tiefe dieser Spitzenwerte zeigt uns die Konzentration dieser Gase in der Probe.“ Sie fügt hinzu, dass der Sensor sehr spezifisch sei und keine Kalibrierung erfordere, wodurch er zuverlässiger werde.
Schwieriger Übergang zum empfindlicheren mittleren Infrarotbereich
Im Rahmen des Projekts wurden verschiedene Chipdesigns entwickelt, um die Wellenleiterphotonik zu integrieren, bei der das geführte Licht äußerst effizient mit den umgebenden Gasen interagiert. Es gab jedoch technische Herausforderungen, insbesondere beim Übergang vom nahen zum mittleren Infrarotbereich, jenem Bereich, in dem die Moleküle ihre spektralen Fingerabdrücke aufweisen. „Soll empfindlich gemessen werden, erfolgt das im mittleren Infrarotbereich“, erläutert Jágerská. „Es stellte sich jedoch heraus, dass sich der mittlere Infrarotspektralbereich nicht so verhält wie die [gängigere] Nahinfrarot-Photonik.“ „Die für die Nahinfrarot-Photonik verwendeten Materialien erschienen im mittleren Infrarotbereich zunächst völlig lichtundurchlässig. Wir mussten somit das Design und die Materialien, aus denen die Chips bestehen, verändern, um zu einem funktionierenden Bauelement zu gelangen, das wir dann weiter optimieren konnten.“
Präzisionsdetektion von Spurengasen
Der Nachweis von Spurengasen in hochpräzisen Werten in der Größenordnung von Teilen pro Milliarde (ppb) ist für die Umweltüberwachung und das Gesundheitsversorgung wichtig. Das Projektteam konzentrierte sich auf Spurengase wie Methan (CH4) und Kohlendioxid (CO2) und im Folgenden auf den Nachweis von CO2-Isotopen. „Wir konnten 300 Methanmoleküle in einer Milliarde anderer Moleküle nachweisen, was eine Verbesserung um ein bis zwei Größenordnungen im Vergleich zum Stand der Technik darstellt“, berichtet Jágerská. „Bei CO2 haben wir den Nachweis um vier Größenordnungen auf 20 ppb verbessert“, fügt sie hinzu und weist darauf hin, dass andere Forschungslabors meist nicht in der Lage seien, unter 100 Teile pro Million (ppm) zu kommen. „Deshalb sind unsere Sensoren die derzeit besten.“ Die hohe Empfindlichkeit unterstützt auch den isotopenspezifischen Nachweis von CO2. Anhand von Isotopen können anthropogene von biogenen Emissionen unterschieden werden. Sie sind bei Anwendungen in der medizinischen Forschung im Einsatz. „Früher gab es für den Isotopennachweis nur hochwertige Geräte. Hier wurde der Nachweis erstmalig auf einem Photonikchip demonstriert“, sagt sie.
Mikrochip als Teil eines Überwachungsgeräts
Die Projektarbeit hat sich laut Jágerská von „nichts als Ideen“ zu einem erfolgreichen Konzeptnachweis entwickelt. Der spektroskopische Mittelinfrarotsensor mit integriertem Laser, Detektorchip und mikrofluidischer Zelle kann nun zum Beispiel in ein Gerät zur Umweltüberwachung eingebaut werden. „Wir arbeiten gegenwärtig daran, den Sensor in ein Prototypgerät einzubauen“, erklärt sie. Diese Arbeit wird im Rahmen des EU-finanzierten Projekts sCENT2 durchgeführt.
