Ein Forschungsteam um Birgitta Schultze-Bernhardt vom Institut für Experimentalphysik der TU Graz hat ein neuartiges UV-Dualkamm-Spektrometer vorgestellt. Das Gerät soll innerhalb von Sekundenbruchteilen die Konzentration gasförmiger Luftschadstoffe wie Formaldehyd messen und kann aufgrund seiner kompakten Bauweise auch außerhalb des Labors eingesetzt werden.

Schadstoffe anhand ihres „Fingerabdrucks“ erkennen

Für die Messung erzeugt das Spektrometer zwei Laserimpulse im ultravioletten Spektralbereich. Treffen diese auf Gasmoleküle, werden die Moleküle elektronisch angeregt und in Rotation sowie Schwingung versetzt. Die dabei entstehenden sogenannten rovibronischen Übergänge sind für jede gasförmige Substanz charakteristisch. Da jede gasförmige Substanz UV-Licht auf ihre eigene Weise absorbiert, kann das System verschiedene Gase eindeutig identifizieren.

„Jeder Luftschadstoff hat also seinen eigenen Fingerabdruck, den unser UV-Dualkamm-Spektrometer erkennt“, sagt Birgitta Schultze-Bernhardt.

Kompakter Aufbau für mobile Anwendungen

Bereits vor zwei Jahren hatte das Team ein erstes UV-Dualkamm-Spektrometer entwickelt. Die neue Generation wurde deutlich verkleinert und erreicht nun etwa die Größe eines Umzugskartons. Möglich wurde dies unter anderem durch den Einsatz einer einzigen Laserquelle zur Erzeugung des Doppellaserimpulses. Das soll den Aufbau vereinfachen und eine aufwendige elektronische Stabilisierung überflüssig machen.

Erkenntnisse zu Formaldehyd

Das Spektrometer erreicht eine Auflösung von 1 GHz und übertrifft laut Forschungsteam damit herkömmliche UV-Spektrometer. Bei Messungen von Formaldehyd konnten die Forschenden Absorptionsmuster nachweisen, die bislang experimentell nicht beobachtet worden waren.

Die Ergebnisse führten zudem zu einer Korrektur der Rotationskonstanten des Moleküls, die seit den 1960er-Jahren in wissenschaftlichen Datenbanken und Lehrbüchern verwendet wurden. Gemeinsam mit Forschenden des Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics wurden die Werte um bis zu 15 % angepasst.

Potenzial für Umweltüberwachung

Neben der Grundlagenforschung sehen die Forschenden Anwendungsmöglichkeiten bei der Überwachung von Luftschadstoffen und der Detektion von Gaslecks in Städten, Industriegebieten und landwirtschaftlichen Regionen. Das System erreicht Messdistanzen von bis zu zweieinhalb Kilometern. Künftig soll es zudem möglich werden, mehrere Schadstoffe gleichzeitig zu erfassen.

„Mit unserem Gerät lässt sich prinzipiell jede halbwegs durchsichtige, gasförmige Substanz genau detektieren. Und wir arbeiten derzeit daran, die Konzentration von mehreren Schadstoffen mit einer einzigen Messung zu bestimmen“, so Birgitta Schultze-Bernhardt.