Mit Mikro-Plasma ohne Vakuum: Feinste Gasspuren im "Aktenkofferlabor" analysieren

Das Projekt „Planar-integriertes Mikrosystem aus Hohlkathoden-Plasmagenerator und optischem Kollektor für spektroskopische Gasanalytik“ wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert.

Das mobiles Mikrosystem eignet sich voraussichtlich u. a. für Umwelt-, Sicherheits- und Kriminaltechnik.

Das Gasanalyse-Labor im Aktenkoffer: Eine Entwicklung, mit der winzige Gasproben schnell und vor Ort ohne künstliches Vakuum mit höchster Präzision analysiert werden können, haben die FernUniversität in Hagen und das ISAS – Institute for Analytical Sciences in Dortmund in Angriff genommen. Das Projekt „Planar-integriertes Mikrosystem aus Hohlkathoden-Plasmagenerator und optischem Kollektor für spektroskopische Gasanalytik“ wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert.

Dr. Matthias Gruber, an der FernUniversität Juniorprofessor für Optische Mikrosysteme, und Dipl.-Ing. Richard Heming, ISAS, sehen eine Vielfalt möglicher Anwendungen in Wissenschaft und Praxis, von der Umwelttechnik über die Sicherheitstechnik (u. a. Aufspüren von Lecks in Gasleitungen) und den naturwissenschaftlichen Schulunterricht bis hin zur Kriminaltechnik und vielleicht sogar für die Luft- und Raumfahrt. Die Anwendungsmöglichkeiten reichen weit, „selbst die zurzeit so beliebten Tatort-Ermittler in TV-Krimis könnten das System später einmal einsetzen“, schmunzelt Gruber.

Gemessen werden können Größenordnungen von einem Teil in einer Milliarde anderer Teile (one part per billion – ppb), also z. B. der Rauch eines Zuges aus einer Zigarette in einem Raum von der Größe der Arena auf Schalke. Die gesamte Apparatur dürfte bequem in zwei Zigarettenschachteln passen und kann mit normalen Batterien betrieben werden.

Atome und Moleküle senden Licht verschiedener Wellenlängen aus, wenn sie z.B. elektrisch dazu angeregt werden. Jedes Atom oder Molekül kann anhand seiner individuellen Spektralfarben eindeutig erkannt werden. In dem miniaturisierten Aufbau eines Gasanalysators wird eine Gasprobe in eine haarbreite Öffnung in einen durchbohrten Keramik-Objektträger eingeblasen und einer hohen Spannung ausgesetzt. Dabei entsteht ein Plasma, ähnlich wie in einer Leuchtstoffröhre. Das ausgesandte Licht wird von einer Kollektoroptik aufgefangen, zu einem Spektrometer geleitet und in diesem analysiert.

Bisher wa es nur möglich 1 bis 2 Prozent dieses Lichts für die Identifizierung der Spektralfarben zu nutzen, der Rest ging im Keramikkörper verloren. In dem neuen Miniatursystem werden dagegen rund 80 Prozent des Lichts zur Gasanalyse herangezogen – ein Quantensprung, der durch die große Erfahrung der FernUni-Forscher auf dem Gebiet der mikrooptischen Systemintegration möglich wurde. In der neuen Entwicklung ersetzt Quarzglas die Keramik (hierauf haben die Entwickler bereits ein Patent). Das vom Plasma ausgesandte Licht wird von dem Glaskörper zu Glasfasern weitergeleitet, die zu einem sehr kleinen Spektrometer führen.

Dank dieser miniaturisierten Anordnung ist für den Betrieb auch kein Vakuum erforderlich. Gruber: „Dieses Mikro-System erzeugt genau die physikalischen Bedingungen, unter denen ein Plasma in normaler Luft gezündet werden kann.“