Die Anwendungsgebiete der IR-Spektroskopie reichen von der Gerichtsmedizin (Forensik, illegale Drogen und Fälschungsnachweise), Industrie (Qualitätskontrolle in Pharmazie, Erkundung von Böden und Gestein, Prozessanalyse und Diskriminierung von Recyclingstoffen) bis zum Privatgebrauch (Sensor für Körperfunktionen und –flüssigkeiten, Nahrungsmitteltests und Bestimmung von Nährwerten). Nahe, mittlere und ferne IR (NIR-MIR-FIR) basierte Technologien sind in der Prozessanalytik vielfältig einsetzbar, u.a. in der in-line Analytik aufgrund der hohen Empfindlichkeit mit Nachweisgrenzen im ppb-Bereich, plug-and-play Sensoren, kurzen Messzeiten und hohen Auflösungen, auch als bildgebende Verfahren. Eine automatische Analyse der dabei anfallenden großen Datenmengen ist eine große Herausforderung. Ein aktuelles Beispiel ist eine IR-basierte Sensorplattform zur Prozessoptimierung in der Ölindustrie im Rahmen des Horizon2020 Projektes HYDROPTICS. Dabei entwickelt ein Konsortium ein QCL-IR-System zur automatisierten Messung des Restölgehalts in Prozesswasser in Echtzeit, welches in Verbund mit einer ebenfalls automatisierten spektroskopischen Partikelmessung sowie auf Grundlage von digitalisierten Prozessdaten, Datenfusion, maschinellem Lernen und künstlicher Intelligenz eingesetzt werden soll, um die Ölförderung optimal produktiv sowie möglichst umweltfreundlich zu gestalten.
Im Zuge des Horizon2020 Projekts NUTRISHIELD wird ein auf QCL-basierter Analysator entwickelt, um die genaue Proteinzusammensetzung in Muttermilch rasch und sicher zu ermitteln. Das Horizon2020 Projekt FLAIR entwickelt eine weitere IR-basierte Sensorplattform zur Luftüberwachung von komplexen Gasmischungen in den sog. atmosphärischen Fenstern von 3,4-4,1 µm und 8,5-10,5 µm. Zu den Subsystemen, die in unbemannten Luftfahrzeugen (Dronen) eingesetzt werden, gehören Superkontinuumlaser, Messzellen und 2D-Spektrometer mit ungekühlten IR-Sensorarrays. Ähnliche Ziele verfolgt das Horizon2020 Projekt PASSEPARTOUT, welches jedoch die indirekten Messtechniken Photoakustik und Photothermie zu diesem Zweck einsetzen möchte. Auf der Suche nach Leben auf erdähnlichen Planeten wird die IR-Spektroskopie eingesetzt, um die atmosphärischen Eigenschaften von Exoplaneten nach Biosignaturen zu untersuchen. So werden photochemische Prozesse in planetaren Atmosphären untersucht, indem Experimente sowohl in einer bodengestützten planetaren Simulationskammer als auch im Weltraum, entweder an der Außenseite der Internationalen Raumstation oder auf freifliegenden Nanosatelliten, durchgeführt werden1.
Viele Gase können mittels IR-Detektion in hohlen Wellenleitern analysiert werden. Dazu zählen aliphatische und aromatische Kohlenwasserstoffe, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Ozon, Wasserstoffsulfid, Schwefeldioxid und Stickoxide. Sogar das kleine Atemgasvolumen von Mäusen kann online und mit Zeitauflösung im Sekundenbereich hinsichtlich Kohlenstoffdioxid- und Sauerstoffkonzentration untersucht werden. Eine Anwendung von IR-Assays mit QCLs und festen Lichtwellenleitern ist der Nachweis von Mykotoxinen in Lebensmitteln, welche im Horizon2020 Projekt PHOTONFOOD entwickelt werden. Eine weitere Anwendung sind IR-Sensoren für den Kohlenstoffdioxidanteil in Beatmungsgeräten, die in Zeiten der Corona-Pandemie in der ganzen Welt händeringend gebraucht werden. Die IR-Sensoren, die von einem Industriepartner in elektronische Mikrosysteme implementiert werden, erfordern eine Reihe von hochspezialisierten Arbeitsschritten in einem modernen Reinraum zur Produktion (siehe Abbildung 1).
(1) Elsässer, A.; Merenda, F.; Lindner, R.; Walker, R.; Bühler, S.; Boer, G.; Villa, A.; Hallak, Y.; Aguado, F.; Albert, E.; Wood, B. Acta Astronautica 2020, 170, 275-288.
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