Applikationslabor für Laser-Spektroskopie

Wir identifizieren für Sie Stoffe und Flüssigkeiten

Im Applikationslabor erstellen wir maßgeschneiderte Messaufbauten für Sie. — © Fraunhofer IAF

Wie verändern sich Zusammensetzungen von chemischen Substanzen unter äußeren Einflüssen? Welche Substanzen befinden sich in einer Lösung oder Flüssigkeit? Sind chemische Spuren auf einer Oberfläche zurückgeblieben? Das Fraunhofer IAF bietet Antworten auf diese Fragen: Unsere Infrarot-Spektroskopie erkennt und quantifiziert bereits Spuren von Stoffen oder chemische Reaktionen einzelner Substanzen anhand ihrer molekularen Zusammensetzung.

Partner und Kunden aus Industrie und Wissenschaft haben die Möglichkeit, die QCL-Technologie des Fraunhofer IAF im Applikationslabor hautnah zu erleben.

In unserem Applikationslabor realisieren wir für Sie mit unseren schnell abstimmbaren Quantenkaskadenlasern (QCL) spektroskopische Messungen. Während gängige Verfahren auf der FTIR-Spektroskopie basieren, bietet die QCL-Spektroskopie den entscheidenden Vorteil einer deutlich höheren Brillanz, die signifikant reduzierte Messzeiten mit Zeitauflösungen bis in den Millisekundenbereich für komplette IR-Spektren sowie kontaktlose und abstandfähige Messungen ermöglicht. In- und online-fähige Messverfahren sind damit ebenso umsetzbar. Bei der Entwicklung neuer Herstellungsverfahren, beispielsweise in der Chemie- oder Pharmaindustrie, stellt die Prozessanalyse in Echtzeit einen enormen potenziellen Effizienz- und Kostengewinn dar.

Quantenkaskadenlaser (QCL) für Ihre spektroskopischen Messungen

Der QCL hat sich in den vergangen Jahren als ideale Laserlichtquelle für innovative Infrarot-Spektroskopietechniken etabliert. Durch seine breite spektrale Abstimmbarkeit im infraroten Wellenlängenbereich zwischen 4 μm und 11 μm sowie seine hohe spektrale Brillanz, ist der QCL für verschiedenste Messaufgaben hervorragend geeignet.

Anwendungsbeispiele:

Prozessanalytik: Verfolgung relevanter chemischer Reaktionen
Medizinische Diagnostik und Therapie: Atemgasanalysen und Blutzuckermessungen
Umwelt- und Produktionsmesstechnik: Trinkwasserkontrollen im Wasserwerk
Nahrungsmittelproduktion: Identifikation verdorbener oder sensorisch defekter Lebensmittel
Schutz und Sicherheitstechnik: Detektion von Gefahrstoffspuren oder Ausgangssubstanzen von Explosivstoffen
Pharmaindustrie: Messungen von Wirkstoffkonzentrationen in der Medikamentenproduktion

Die innovative Technologie basiert auf Wellenlängen im mittleren bis langen Infrarotbereich und identifiziert chemische Substanzen wesentlich zuverlässiger als vergleichbare Spektroskopietechniken im nahen Infrarot. Sie ermöglicht die zweifelsfreie Identifizierung verschiedenster Feststoffe und Flüssigkeiten innerhalb weniger Sekunden – bis hin zu Messungen in Echtzeit.

Der Einfluss von Parametern wie Temperatur oder Druck auf die Zusammensetzung der Stoffe lässt sich direkt ablesen, steuern und gezielt reproduzieren. So lassen sich beispielsweise neue Medikamente schneller und mit geringerem Kostenaufwand entwickeln.

Messmethoden

Transmission- und Rückstreu-Spektroskopie
ATR- bzw. Mikrofluidik-Spektroskopie
QCL-Mikroskopie
Point-of-Interest-(POI)-Spektroskopie

POI-Scanner

Unser Point-of-Interest-System demonstriert die inline-fähige Qualitätssicherung in der pharmazeutischen Verpackungsindustrie. Bei Prozessen, in denen Tabletten unterschiedlicher Zusammensetzung auf derselben Linie laufen oder bei der patientenspezifischen Verblisterung, wenn sich Tabletten mittels kamerabasierter Systeme nicht eindeutig unterscheiden lassen, ergänzt unser System die Informationen um den IR-Fingerabdruck jeder einzelnen Tablette.

Mithilfe maschinellen Sehens erkennt das System den Tablettenblister sowie die Position jeder einzelnen Tablette im Blister und zeichnet jeweils ein Infrarot-Rückstreuspektrum auf. Die Klassifizierung erfolgt auf Basis eines neuronalen Netzes. So wird ein 12er-Tablettenblister in weniger als 0,3 Sekunden überprüft.

Demonstrator des POI-Scanners: Bildschirm mit Messergebnissen und ein Infrarotlaser, der auf Blisterpackungen gerichtet ist. — © Fraunhofer IAF
Der POI-Scanner nutzt maschinelles Sehen, um jede einzelne Tablette im Blister zu erkennen, das jeweilige Infrarot-Rückstreuspektrum zu erfassen und anhand dessen die Substanz zu identifizieren. Die Untersuchung eines 12er Tablettenblisters erfolgt kontaktlos und in weniger als 0,3 Sekunden.

Transportabler 1D- und 2D-IR-Laser-Spektrometer

Die am Fraunhofer IAF entwickelte MOEMS-EC-QCL-Technologie zeichnet sich nicht nur durch ihre hohe Messgeschwindigkeit, sondern auch durch ihre Robustheit und geringe Baugröße aus. Dadurch eignet sie sich ideal für kompakte portable oder handgehaltene Systeme, bei denen unweigerlich Bewegungen auftreten und damit der Messspot wandert. Diese Technologie kann beispielsweise bei forensischen Tatortuntersuchungen unterstützen, indem Einsatzkräfte direkt vor Ort schnelle, kontaktlose und zerstörungsfreie Messungen vornehmen, um Substanzen zu identifizieren.

Im Applikationslabor steht ein IR-Laserspektroskopie Demonstrator für die kontaktlose IR-Laser-Rückstreuspektroskopie an Feststoffen zur Verfügung. Der Demonstrator besitzt eine räumliche Scanfähigkeit (1D und 2D), sodass hyperspektrale und datenfusionierte Visualisierungen einer Szene erstellt werden können.

Multicore-Lasersysteme

Die Stärke der MOEMS-EC-QCLs ist die spektrale Messgeschwindigkeit von einem Kilohertz. Die spektrale Abdeckung ist im Vergleich zur FTIR-Spektroskopie jedoch begrenzt. Um diese zu vergrößern, ermöglicht die Lasertechnologie des Fraunhofer IAF ein Multiplexing – ein Verfahren, bei dem mehrere, sich spektral ergänzende Module miteinander gekoppelt werden. So wird die spektrale Abdeckung vergrößert, ohne dass die Messgeschwindigkeit reduziert wird. Im Vergleich zu konkurrierenden Ansätzen sind die daraus resultierenden Multicore-Systeme noch immer sehr kompakt. Im Applikationslabor stehen solche Mehrkernsysteme für Demonstrationen zur Verfügung.

Transportabler IR-Laser-Spektrometer: Kameraaufbau auf Stativ — © Fraunhofer IAF
Das transportable IR-Laser-Spektrometer ermöglicht 1D- und 2D-Messungen in Abständen von bis zu 1,5 Metern.