Infrarot-Spektroskopie
Eine Vielzahl von Gasen, Flüssigkeiten, Pulvern und Feststoffen kann im mittleren Infrarotbereich sehr präzise analysiert werden, da sie bei diesen Wellenlängen aufgrund charakteristischer Molekülschwingungen ein stofftypisches Absorptionsverhalten zeigt. Die Energie der IR-Strahlung regt die Molekülbindungen zu stofftypischen Schwingungsmoden an, wodurch ein einzigartiger “Fingerabdruck” entsteht. Mit Hilfe von IR-Sensoren kann mit spektroskopischen Verfahren eine Vielzahl von Informationen aus entsprechenden Messproben gewonnen werden.
So können Zusammensetzung, Verunreinigungen und die Konzentration verschiedener Bestandteile bestimmt und erkannt werden. Für die Detektion von Strahlung im mittleren IR-Bereich stehen verschiedene physikalische Prinzipien zur Verfügung. Die pyroelektrischen Sensoren PYROSENS der DIAS Infrared GmbH auf Basis von Lithium-Tantalat ordnen sich hinsichtlich ihres Signal-Rausch-Verhältnisses zwischen den gekühlten MCT-Sensoren und den weniger empfindlichen und langsameren Thermopiles und Bolometern ein. Auch gegenüber pyroelektrischen Sensoren mit keramischen Dünnschichten, z.B. auf Basis von PZT, weisen sie eine signifikant höhere spezifische Detektivität auf. PYROSENS Zeilensensoren sind u.a. mit 128, 256 und 510 Pixeln verfügbar, womit sie in Verbindung mit dispersiven optischen Baugruppen und/oder linearen Verlaufsfiltern (LVF) zur hoch aufgelösten Detektion über einen größeren Wellenlängenbereich geeignet sind. Linear variable Filter sind aktuell bis zu einer Wellenlänge von ca. 11 µm verfügbar, für die IR-Spektroskopie aufgeteilt in die Bereiche 1,3 µm bis 2,6 µm, 2,5 µm bis 5 µm und 5,5 µm bis 11 µm.
Die Spektrometer, in denen unsere linearen Arrays eingesetzt werden, basieren im Wesentlichen auf drei Funktionsprinzipien.
NDIR-Transmissionsspektrometer
Der Aufbau eines NDIR-Transmissionspektrometers mit linearem Array ähnelt dem aus der Gasanalyse bekannten Aufbau mit Einelementsensoren. Durch den Einsatz linear variabler Filter können jedoch nicht nur einzelne Stoffe, sondern Stoffgemische analysiert werden (Grundprinzip in Abb. 1).
Abb. 2 zeigt einen einfachen Demonstrator für diesen Spektrometertyp, der sehr kostengünstige und kompakte Spektrometer für allgemeine Anwendungen ermöglicht. Kernbaugruppe ist unser für alle PYROSENS-Arrays einsetzbares Evaluation Kit.
ATR-Spektroskopie
Die ATR-Spektroskopie (Attenuated Total Reflection) nutzt das IR-Array mit LVF in Verbindung mit einem ATR-Kristall (Wellenleiter) und einer IR-Strahlungsquelle. Die IR-Strahlung wird in Totalreflexion durch den Wellenleiter geführt, wobei die zu messende flüssige oder feste Probe an der Oberfläche des Wellenleiters dessen Reflexionsverhalten spektral beeinflusst. Dieses Messverfahren ermöglicht kompakte, präzise, schnelle und vielseitige Systeme, die auch mobil anwendbar sind. Das Funktionsprinzip der ATR-Spektroskopie mit Zeilensensoren mit linearem Verlaufsfilter zeigt Abb. 3.
Gitterspektrometer
Beim Gitterspektrometer (Prinzip in Abb. 4) tritt die IR-Strahlung durch einen Spalt oder eine Faser ein und trifft zuerst auf einen sphärischen Spiegel. Dieser parallelisiert diese Strahlung, die dann an einem optischen Gitter gebeugt und reflektiert wird. Dadurch werden verschiedene Wellenlängen in unterschiedliche Richtungen gelenkt. Ein zweiter Spiegel fokussiert die Strahlung auf den Zeilensensor, dessen Pixel nun Strahlung unterschiedlicher Wellenlänge detektieren. Der über die gesamte Sensorlänge messbare Wellenlängenbereich wird durch die konkrete optische Anordnung definiert.
Unsere pyroelektrischen linearen Arrays PYROSENS mit 128, 256 oder 510 Pixeln werden derzeit vorzugsweise in vergleichsweise kleinen, mobilen und preiswerten ATR-Spektrometern und in der Gitterspektroskopie eingesetzt. Die ersten ATR-Spektrometer, in denen PYROSENS-Arrays eingesetzt wurden, waren zwei Gerätegenerationen der US-amerikanischen Firma Wilks Enterprise (Abb. 5).
Neueste Geräteentwicklungen verwenden weiterentwickelte PYROSENSE-Arrays mit optimierter thermischer Pixelisolation und deutlich verbesserten Absorptionseigenschaften.
Typische Anwendungsgebiete sind:
- Lebensmittelsicherheit und -qualität, bei der es vor allem um die Erkennung von Spuren chemischer Verunreinigungen oder unzulässige Zusätze geht. Beispiele sind Lebensmittelkontrollen in der der Milchindustrie, bei Speiseölen oder bei alkoholischen Getränken.
- Überwachung der Qualität von Ölen und Schmierstoffen, begonnen über die Charakterisierung bei der Förderung über die Analyse von Heizölproben bis hin zur Zustandskontrolle bei der Verwendung in Motoren.
- Sicherheitstechnik zur Sprengstoffdetektion (Spurenanalyse flüssiger oder pulverförmiger Explosivstoffe)
- Umwelttechnik zur Luftqualitätsüberwachung und Gewässeranalyse
Vorreiter beim Einsatz linearer pyroelektrischer Arrays in Gitterspektrometern zur Lasercharakterisierung sind die Firmen Angstrom/Highfinesse mit ihrem portablen Mid-IR Laser Spectrum Analyser LSA IR-III und den Wavelength Metern WS5 IR-III und WS6 IR-III (alle für den Bereich von 2 µm bis 11 µm) mit PYROSENS-Arrays mit 510 Pixeln (Abb. 6).
Informationen auf einen Blick
- Lesen und finden Sie alle wichtige Informationen zur Infrarot-Spektroskopie in unserem Anwenderbericht „IR-Spektroskopie mit linearen Arrays PYROSENS„.
- Weitere technische Informationen über unsere linearen Arrays PYROSENS