Gassensorik mit Terahertz Heterodynspektrometern für Anwendungen in Sicherheit, Medizin und Weltraum
Neumaier, Philipp Franz-Xaver - Technische Universität Berlin (2015)
Die Terahertz (THz) Molekülspektroskopie kann für die Gassensorik eingesetzt werden, da viele gasförmige Chemikalien Absorptionslinien im THz-Bereich besitzen. Eine Quelle erzeugt dabei THz-Strahlung, aus der das Gas molekülspezifische Frequenzanteile absorbiert, sodass der Empfänger ein Spektrum aufnimmt, welches sich wie ein Fingerabdruck eindeutig dem Gas zuordnen lässt.
Gassensoren können vielfältig eingesetzt werden. Im Sicherheitsbereich können sie dazu verwendet werden, um toxische Gase und Industriechemikalien, so genannte TICs zu erkennen. Letztere sind weltweit in großen Mengen verfügbar und bergen deshalb ein erhöhtes Unfall- und Terrorismusrisiko. In der Medizin können Gas-Sensoren beispielsweise zur nicht-invasiven Erkennung von Atemgas-Biomarkern eingesetzt werden. Das sind flüchtige organische Verbindungen (VOCs), die auf Krankheiten wie Lungenkrebs oder Diabetes hinweisen. Auch in der Weltraumforschung werden THz-Empfänger schon lange dazu verwendet, Molekülemissionsspektren von astronomischen Objekten wie Kometen, Planeten oder Galaxien aufzunehmen, um deren Zusammensetzung zu bestimmen oder nach außerirdischem Leben zu suchen. Ein Gassensor kompakt, kostengünstig sowie wiederverwendbar sein und Gase sensitiv und selektiv detektieren können und dabei von Nicht-Fachleuten bedienbar sein.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden für obige Anwendungsbeispiele drei THz-Heterodynspektrometer für die Frequenzbereiche um 245 GHz, 500 GHz und 557 GHz aufgebaut, da viele Moleküle mit Relevanz in Medizin, Sicherheit und Weltraum dort Absorptionslinien besitzen. Die Spektrometer bestehen aus kompakten Tansmittern und Empfängern aus monolithischen Mikrowellen Schaltkreisen (MMICs) unter anderem in der kostengünstigen SiGe-Technologie. In einer Gasabsorptionszelle wurden die Analyten mit Pumpen auf einen Druck zwischen 0,01 und 50 mbar gebracht und spektroskopiert. Es konnten hochaufgelöste Absorptionsspektren von VOCs, TICs und Biomarkern aufgenommen werden, welche aufgrund ihres moleülspezifischen, spektralen Fingerabdrucks eine hohe Selektivität gewährleisten. Zur Verifikation der gemessenen Spektren wurde im Rahmen der Arbeit ein Simulationsprogramm entwickelt, das Spektren von Gasen und deren Mischungen simuliert. Die THz-Spektrometer können Absorptionslinien von Gasen mit einem integrierten Absorptionskoeffizienten von minimal 1E-25 cm messen und sind daher sehr sensitiv. Außerdem wurden die Spektrometer hinsichtlich ihrer Grenzempfindlichkeiten miteinander verglichen.
Bei medizinischen und sicherheitsbezogenen Anwendungen liegen die Gase jedoch typischerweise in Luft unter Atmosphärendruck vor, was scharfe spektrale Merkmale zerstört. Deshalb wurde ein Gas-Konzentrator auf Basis eines Kohlenstoff-Molekularsiebs hergestellt, welcher erfolgreich VOCs aus Luft-Gemischen extrahieren kann.
Für die automatisierte Spektrenauswertung und um die Bedienbarkeit für Laien zu gewährleisten, wurden die THz-Spektren mittels multivariater Datenanalyse (MVA) ausgewertet. Es wurden Vorhersagemodelle für die qualitative und quantitative Substanzerkennung erstellt. Unter Verwendung der Principal Components Analysis (PCA), der Partial Least-Squares Regression (PLS) und Soft Independent Modelling of Class Analogy (SIMCA) konnten Mengenanteile in Gasgemischen mit einer Unsicherheit kleiner 2% vorhergesagt werden.
Damit ist ein kompakter, kostengünstiger, sensitiver, selektiver und wiederverwendbarer Gassensor realisierbar. Perspektivisch wird eine Vollintegration der Komponenten unter Verwendung einer Hohlleiter-Absorptionszelle zu einer weiteren Verkleinerung der Sensoren führen.