Laserinduzierte photoakustische Spektroskopie als Sensorprinzip: Anwendungen in der Prozess- und Umweltanalytik

Online-Monitoring bakterieller Biofilme mittels photoakustischer Spektroskopie

Online-Analytik opaker Flüssigkeiten mittels photoakustischer Spektroskopie

Zerstörungsfreie Analyse von Früchten mittels photoakustischer Spektroskopie und laserinduziertem Ultraschall

Wird eine zu untersuchende Probe elektromagnetischer Strahlung (z.B. Licht, UV, IR) ausgesetzt, so nimmt sie in Abhängigkeit von der chemischen Zusammensetzung einen Teil davon auf (Absorption). Diese Absorption führt zu einer lokalen Erwärmung der Probe und infolge der thermischen Expansion zur Ausbildung einer Druckwelle (akustische Welle), welche mit Mikrophonen oder piezoelektrischen Schallwandlern erfasst werden kann.

Wie bei der herkömmlichen Spektroskopie geben Wellenlänge und Intensität des absorbierten Strahlungsanteiles Aufschluss über die chemische Zusammensetzung der Probe und die Konzentration einzelner Inhaltsstoffe. Durch Messung der Laufzeit der Druckwelle kann bei PAS außerdem auf den Ort der Absorption innerhalb der Probe geschlossen werden (tiefenaufgelöste Messung, Tomographie). Darüber hinaus hat PAS bei der Untersuchung sehr schwach und sehr stark absorbierender sowie lichtstreuender Proben Vorteile gegenüber der klassischen Absorptionsspektroskopie. 

Schwerpunkte der Forschungstätigkeit sind Entwicklung und Charakterisierung photoakustischer Sensorsysteme zur Untersuchung flüssiger und fester bzw. gelartiger Proben und deren Anwendung in Teilbereichen der Prozess- und Umweltanalytik. Die Messsysteme basieren auf der Anregung von Druckwellen in der Probe durch kurze Laserpulse und deren Detektion mittels piezoelektrischer Detektoren. Hauptanwendungen sind die Online-Analytik opaker Flüssigkeiten zur Überwachung von Textilfärbeprozessen, die tiefenaufgelöste Analyse bakterieller Biofilme sowie die zerstörungsfreie Untersuchung von Früchten und anderen Lebensmitteln (z.B. Äpfel, Fruchtsäfte und -zubereitungen).

Mittels konfokaler Laser-Scanning-Mikroskopie (CLSM) aufgenommene Schichtbilder eines Biofilms (links) und daraus berechnete Seitenansicht (rechts).

Biofilme sind einige 10 µm bis einige Millimeter dicke Gelfilme, die von Bakterien auf festen Oberflächen gebildet werden. Sie bestehen aus Wasser, Mikroorganismenzellen und Biopolymeren (extrazelluläre polymere Substanzen, EPS), die großteils von den Bakterien selbst erzeugt werden. Biofilme sind in der Natur weit verbreitet und werden in Kläranlagen und Biofilmreaktoren zum Abbau organischer und anorganischer Schadstoffe genutzt. Unerwünschtes Biofilmwachstum in technischen Prozessen (Biofouling) kann zur Erhöhung des Strömungswiderstandes in Rohrleitungen, dem Verstopfen von Ventilen, Düsen und Filtermembranen und der Verringerung der Effizienz von Wärmetauschern führen. Außerdem verringern Biofilme die Wasserqualität und können ein Habitat für pathogene Keime darstellen.

Ein zerstörungsfreies Monitoring von Biofilmen ist daher sowohl in der biologischen Abwasserreinigung als auch bei der Optimierung von Anti-Biofouling-Strategien relevant. Die Monitoring-Technik sollte die Überwachung von Wachstums- und Ablösungsprozessen ermöglichen und Informationen über Schichtdicke und Zusammensetzung des Biofilms liefern.

Die erstmalige Anwendung der photoakustischen Spektroskopie zeigte das Potenzial dieser Methode auf dem Gebiet des Biofilm-Monitorings auf.

Photoakustische Sensoren ermöglichen die Überwachung von Wachstums- und Ablösungsprozessen in Echtzeit. Tiefenaufgelöste Messungen (Tiefenauflösung ca. 10 µm) liefern Informationen über die Biofilmschichtdicke sowie die Mechanismen der Wachstums- und Ablösungsprozesse. Durch wellenlängenabhängige Messungen sind Absorptionsspektren von Biofilmen und damit Informationen über die Verteilung von Hauptkomponenten zugänglich.

Sowohl zur Prozessoptimierung als auch zur Kontrolle des Abwassers ist eine Bestimmung der Farbstoffkonzentration in Textilfärbeprozessen vonnöten. Die Anwendung der klassischen Absorptionsspektroskopie zur Farbstoffanalyse  ist durch die hohen Farbstoffkonzentrationen (einige 10 g/L) und durch die Anwesenheit lichtstreuender Partikel stark beeinträchtigt. Aufgrund der hohen Farbstoffkonzentration können die Lösungen nicht von Licht durchdrungen werden, weshalb eine herkömmliche Absorptionsmessung nur nach starker Probenverdünnung möglich ist. Man spricht in diesem Fall von opaken Lösungen.

Zur Analyse opaker Flüssigkeiten wurden photoakustische Sensoren entwickelt. Nach Optimierung der Sensorgeometrie war die Bestimmung von Farbstoffkonzentrationen von etwa 50 mg/L bis zu 30 g/L ohne Probenvorbereitung mittels einer Durchflussmesszelle in Echtzeit möglich.

Steigende Anforderungen an Lebensmittelqualität und Verbraucherschutz machen eine bessere Überprüfung äußerer und innerer Qualitätsmerkmale landwirtschaftlicher Erzeugnisse notwendig. Die Sortierung von Früchten (z.B. Äpfeln) und damit die Einteilung in Handelsklassen erfolgt heutzutage ausschließlich nach äußeren Qualitätsmerkmalen wie Größe, Gewicht, Farbe und äußere Beschädigungen. Ein zusätzliches Einbeziehen innerer Qualitätsmerkmale wie Zuckergehalt, Gesamtsäure und Fruchtfleischfestigkeit scheitert derzeit daran, dass keine zerstörungsfrei arbeitenden Analysengeräte zur Verfügung stehen, die diese inneren Merkmale unabhängig von Apfelsorte und Anbaugebiet mit ausreichender Präzision und Richtigkeit bestimmen können.

Ein Apfel enthält ca. 10-15% Zucker (Summe aus Fructose, Glucose und Saccharose), was der rechts auf dem Bild dargestellten Menge entspricht.