Moderne optische Sensoren für die Atemanalyse
Es ist sehr schwierig, Messungen innerhalb einer abgeschlossenen Kammer durchzuführen, in der hohe Temperaturen und ein kontrollierter Druck herrschen, wie es z.B. bei der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) der Fall ist. Zusätzlich kann die Kammer hier sogar noch mit einem giftigen Gas wie Arsin angefüllt sein. Mit der Laserdiodenspektroskopie im nahen Infrarot können die chemischen Reaktionen des Gases, die bei der Abscheidung einer dünnen Schicht auf einem Substrat innerhalb der Kammer ablaufen, zuverlässig und effizient überwacht werden. Die NIR-Laserdiodenspektroskopie ist nicht nur auf industrielle Fertigungsprozesse beschränkt. Vor kurzem konnte es erfolgreich in der Telekommunikation angewendet werden. Momentan wird eine Vielzahl von weiteren Anwendungsmöglichkeiten anvisiert. Das ASSYST-Projekt war bei der Herstellung eines abstimmbaren, kleinen Diodenlasers äußerst hilfreich. Dieser neuartige optische Sensor der nächsten Generation verwendet einen Distributed-Feedback-Laser (DFB-Laser). Dieser kann ohne Qualitätseinbußen bei viel geringeren Kosten hergestellt werden. Ein optisches Spektrometer mit kleinen Abmessungen kann bei Anwendungen zum Einsatz kommen, bei denen eine nicht invasive, lokale Prozesskontrolle erforderlich ist. Projektpartner haben zudem einen neuen Laser für Cavity-Enhanced-Spektroskopie entwickelt. Sensoren, die auf Diodenlaser basieren, besitzen eine kompakte Bauweise, haben geringe Leistungsanforderungen, sind hochempfindlich und können sogar Konzentrationen von Gasen detektieren, die im Bereich von ppb (Teile pro Milliarde) oder sogar ppt (Teile pro Billion) liegen. Mit einem kleinen Resonator und einem DFB-Laser mit hoher Wellenlänge bzw. einem Quantenkaskadenlaser konnte die Detektion von NO2- und CO2-Isotopen demonstriert werden. Ein tragbares Gerät mit solch einer hohen Empfindlichkeit bei der Detektion von Gasmolekülen hat bereits eine wichtige innovative Verwendung gefunden. Es wurde ein Prototyp entwickelt, der bei der Analyse des menschlichen Atems verwendet werden kann. Der Prototyp misst bei dem im Atem vorhandenen CO2 z.B. das Verhältnis von den Kohlenstoffisotopen C13 und C12. Solche Messungen werden häufig durchgeführt, um die Oxidationsrate von exogenen Kohlenhydraten zu messen, in denen C13 angereichert wurde. Eine wichtigere Anwendung ist die Messung des Abbaus von Medikamenten, die durch Isotope markiert wurden.
