11.01.2006

Künstliche Nase mit Laserlicht

Physik Journal - Für einen charakteristischen "Fingerabdruck" eines nachzuweisenden Stoffes genügen schon wenige Moleküle.


Künstliche Nase mit Laserlicht

Physik Journal - Für einen charakteristischen „Fingerabdruck“ eines nachzuweisenden Stoffes genügen schon wenige Moleküle.

Rund 30-mal feiner als die Nase eines ausgebildeten Spürhundes riecht ein Gas-Sensor, den Wissenschaftler im Forschungszentrum Ottobrunn des Luft- und Raumfahrtkonzerns EADS entwickelt haben. Der Prototyp der künstlichen Nase reagiert empfindlich auf Spurengase, die von chemischen Substanzen, Sprengstoffen oder Drogen permanent abgegeben werden. Nur ein Molekül unter 1000 Milliarden Teilchen (parts per trillion, ppt) reicht aus, um ein verwertbares Signal zu erhalten.

Kern des hochsensitiven Gas-Sensors ist ein Ultraviolett-Laser (Wellenlänge 252 nm), der auf ein angesaugtes Luftvolumen in dem etwa zehn auf zwölf Zentimeter kleinen Gerät gerichtet wird. Zwei gegenüberliegende Spiegel reflektieren diesen mehrmals durch die Luftprobe. Dabei ionisiert die Laserstrahlung Moleküle, beispielsweise von Drogen, oder regt diese zunächst an. Ein oder mehrere nachfolgende Photonen trennen das Elektron vom Rumpfmolekül ab. Mithilfe einer Spannung von zwei bis drei Kilovolt werden die Ionen beschleunigt und treffen in Abhängigkeit ihres Molekulargewichts auf eine so genannte Faraday-Platte. So arbeitet der als Ionen-Mobilitätsspektrometer (IMS) bezeichnete Sensor im Prinzip wie ein Flugzeit-Massenspektrometer. Das auftreffende Ion wird neutralisiert und erzeugt dabei einen winzigen Stromfluss, der elektronisch verstärkt als Grundlage für eine Massenbestimmung und damit zur Identifizierung der enthaltenen Gase dient.

Die am EADS-Forschungszentrum entwickelte „künstlichen Nase“ enthält eine Lasereinheit sowie Steuer- und Auswertungselektronik. Für den charakteristischen „Fingerabdruck“ eines nachzuweisenden Stoffes genügt es bereits, dass nur wenige Moleküle davon in der eingesaugten Luft vorkommen. (Foto: EADS)

Der eigentliche Messvorgang dauert nur Bruchteile einer Sekunde. Nach einer kurzen Spülung mit reiner Luft steht der Sensor für eine Folgemessung zur Verfügung. Zudem ist trotz der hohen Empfindlichkeit kein Vakuum für die Messung nötig. Derzeit muss die künstliche Nase im Rahmen des europäischen Forschungsprojekts SAFEE (Security of Aircraft in the Future European Environment) ihre Leistungsfähigkeit unter Beweis stellen. Die EADS-Entwickler gehen davon, dass ihr Sensor in etwa drei Jahren reif für den Einsatz in Flughäfen oder bei Großveranstaltungen sein wird.

Quelle: Physik Journal, Januar 2006, S. 14

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