12.12.2018

Chemische Sensoren in Mikrochip-Größe

Quantenkaskadenlaser erzeugen robuste Frequenz­kämme.

Ein gewöhnlicher Laser hat genau eine Farbe. Es gibt aller­dings auch Laser, deren Licht kompli­zierter auf­ge­baut ist: Frequenz­kämme, bei denen das Licht aus vielen ver­schie­denen Frequenzen besteht, zwischen denen der Abstand immer gleich ist. Frequenz­kämme eignen sich perfekt als chemische Sensoren. An der TU Wien wird diese spezielle Art von Laser­licht ver­wendet, um chemische Analysen auf klein­stem Raum zu ermög­lichen. Mit dieser neuen Techno­logie, die bereits zum Patent ange­meldet wurde, können Frequenz­kämme auf einem ein­zigen Chip auf sehr ein­fache und robuste Weise erzeugt werden.

Abb.: Der Laser sendet Licht mit ganz spezi­ellen spektralen Eigen­schaften...
Abb.: Der Laser sendet Licht mit ganz spezi­ellen spektralen Eigen­schaften aus. (Bild: TU Wien)

„Das Spannende ist, dass man mit zwei Frequenzkämmen relativ einfach ein Spektro­meter bauen kann“, erklärt Benedikt Schwarz von der TU Wien. „Dabei nützt man Schwebungen zwischen ver­schie­denen Frequenzen aus. Wir ver­wenden diese neue Methode, weil sie ohne beweg­liche Teile aus­kommt und ent­wickeln damit ein Chemie­labor im Milli­meter-Format.“ An der TU Wien werden Frequenz­kämme mit einer ganz spezi­ellen Art von Lasern her­ge­stellt, den Quanten­kaskaden­lasern. Dabei handelt es sich um Halb­leiter­struk­turen, die aus vielen ver­schie­denen Schichten bestehen. Wenn man elek­trischen Strom durch die Struktur schickt, sendet sie Laser­licht im Infra­rot­bereich aus. Die Eigen­schaften des Lichts kann man steuern, indem man die Geo­metrie der Schicht­struktur passend wählt.

„Mit Hilfe eines elektrischen Signals mit einer ganz bestimmten Frequenz können wir unsere Quanten­kaskaden­laser gezielt beein­flussen und bekommen eine Reihe von Licht­frequenzen, die alle mit­ein­ander gekoppelt sind“, sagt Johannes Hill­brand von der TU Wien. „Der große Vorteil unserer Technik ist die Robust­heit des Frequenz­kamms“, ergänzt Schwarz. Ohne diese Technik sind die Laser extrem empfind­lich gegen Störungen, wie sie außer­halb des Labors unver­meid­lich sind – etwa Tempe­ratur­schwan­kungen oder Refle­xionen, die einen Teil des Lichts wieder in den Laser zurück­senden. „Unsere Technik kann mit sehr geringem Aufwand reali­siert werden und eignet sich daher hervor­ragend für prak­tische Anwen­dungen selbst in schwie­rigen Umge­bungen. Die benö­tigten Bau­ele­mente findet man heute im Grunde in jedem Mobil­telefon“, betont Schwarz.

Dass der Quantenkaskadenlaser einen Frequenzkamm im Infra­rot­bereich erzeugt, ist deshalb wichtig, weil viele wichtige Moleküle genau in diesem Bereich am besten detek­tiert werden können. „Ver­schie­dene Luft­schad­stoffe, aber auch Bio­moleküle, die für die medi­zi­nische Dia­gnostik eine wich­tige Rolle spielen, absor­bieren ganz bestimmte Licht­frequenzen im Infra­rot­bereich. Man bezeichnet das oft auch als optischen Finger­abdruck des Moleküls“, erklärt Hillbrand. „Wenn man also misst, welche Infrarot-Frequenzen von einer Gasprobe absor­biert werden, kann man ganz genau sagen, welche Stoffe sie enthält.“

„Gerade wegen seiner Robustheit hat unser System gegenüber allen anderen Frequenz­kamm-Techno­logien einen ent­schei­denden Vorteil – es ist problem­los minia­turi­sier­bar“, sagt Schwarz. „Wir brauchen keine Linsen­systeme, keine beweg­lichen Teile und keine optischen Isola­toren, die nötigen Struk­turen sind winzig. Man kann das gesamte Mess­system auf einem Chip im Milli­meter­format unter­bringen.“ Dadurch ergeben sich spekta­ku­läre Anwen­dungs­ideen: Man könnte den Chip auf einer Drohne unter­bringen und Luft­schad­stoffe messen. An der Wand montierte Mess­chips könnten in gefähr­deten Gebäuden nach Spreng­stoff­spuren suchen. Man könnte die Chips in medi­zi­nische Geräte ein­bauen, um Krank­heiten an chemischen Spuren in der Atem­luft zu erkennen. „Schon jetzt sehen wir, dass andere Forschungs­teams an unserem System höchst interes­siert sind“, so Schwarz. „Wir hoffen, dass es bald nicht nur in der akade­mischen Forschung, sondern auch in Alltags­anwen­dungen einge­setzt wird.“

TU Wien / RK

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