Neues Spektrometer der TU Graz

Revolution in der Luftschadstoffanalyse

Die an der TU Graz entwickelte laserbasierte Technologie - ein neuartiges UV-Breitband-Spektrometer - ermöglicht die kontinuierliche Echtzeitanalyse von Luftschadstoffen sowie deren Interaktion mit anderen Gasen und Sonnenlicht. Ein Forschungsteam um Birgitta Schultze-Bernhardt vom Institut für Experimentalphysik schaffte Bahnbrechendes.

STEIERMARK. Sonnenlicht hat einen großen Einfluss auf chemische Prozesse, vor allem seine energiereiche UV-Strahlung wird von allen Materialien stark absorbiert und löst photochemische Reaktionen der in der Luft vorhanden Stoffe aus. Ein Beispiel ist die Bildung von bodennahen Ozon, wenn UV-Licht auf Stockoxide trifft.

Erfolgreiches TU Graz-Forscherteam

Ein Forschungsteam um Birgitta Schultze-Bernhardt vom Institut für Experimentalphysik der Technischen Universität (TU) Graz machte sich dieses hohe Reaktionspotenzial für eine neue Methode des Umweltmonitorings zunutze. Das Team entwickelte das weltweit erste Breitband-UV-Dualkamm-Spektrometer, mit dem Luftschadstoffe kontinuierlich gemessen und ihre Reaktion mit der Umgebung in Echtzeit beobachtet werden können. Ein Beitrag zur Entwicklung erschien jüngst im Fachmagazin Optica. 

Dualkamm-Spektrometer gibt es seit knapp 20 Jahren. Dabei emittiert eine Quelle Licht in einem breiten Wellenlängenbereich, das in der Darstellung nach seinen optischen Frequenzen geordnet an die Zinken eines Kamms erinnert. Durchdringt dieses Licht eine gasförmige Materialprobe, absorbieren die darin enthaltenen Moleküle einen Teil des Lichts. Die so veränderten Lichtwellenlängern lassen Rückschlüsse auf die Inhaltsstoffe und die optischen Eigenschaften des untersuchten Gases zu. 

Rotationen und Vibrationen

Das Neue an dem von Birgitte Schutze-Bernhardt entwickelten Spektrometer ist, dass ein Lasersystem doppelte Lichtimpulse im ultravioletten Spektrum emittiert. Wenn dieses UV-Licht auf Gas-Moleküle trifft, regt es die Moleküle elektronisch an und versetzt diese zusätzlich in Rotationen und Vibrationen - sogenannte rovibronische Übergänge -, die bei jedem gasförmigen Stoff einzigartig sind. Zudem kombiniert dieses Spektrometer drei Eigenschaften, die gängige Spektrometer nur in Teilen zu bieten hatten:

• eine große Bandbreite des ausgestrahlten UV-Lichts, wodurch sehr viele Informationen über die optischen Eigenschaften der Gasproben mit einer einzelnen Messung gesammelt werden können
• eine hohe spektrale Auflösung, die in Zukunft auch die Untersuchung komplexer Gasgemische wie unserer Erdatmosphäre ermöglichen werden
• kurze Messzeiten bei der Untersuchung der Gasproben.

"Dadurch eignet sich unser Spektrometer für empfindliche Messungen, mit denen sich Änderungen von Gaskonzentrationen und der Verlauf von chemischen Reaktionen sehr genau beobachten lassen", erläutert Lukas Fürst, Doktorand und Erstautor der Publikation. Entwickelt und getestet haben die Forscherinnen und Forscher ihr Spektrometer anhand von Formaldehyd. Der Luftschadstoff entsteht beim Verbrennen von fossilen Brennstoffen und Holz ebenso wie in Innenräumen durch Ausdünstungen von in Möbeln verwendeten Klebstoffen. 

"Mit unserem neuen Spektrometer ließen sich die Formaldehyd-Emissionen in der Textil- und holzverarbeitenden Industrie oder in Städten mit erhöhtem Smogaufkommen in Echtzeit überwachen und so der Schutz von Personal und Umwelt verbessern", erläuterte Birgitte Schultze-Bernhardt. Die Anwendung des Spektrometers kann auch auf andere Luftschadstoffe wie Stickoxide und Ozon übertragen werden. Dadurch erhofft scih das Forscherteam neue Erkenntnisse über deren Wirken in der Atmosphäre. Darauf aufbauend ließen sich neue Strategien zur Verbesserung der Luftqualität ableiten. 

Die Forschung ist im Field of Expertise "Advanced Materials Science" verankert, einem von fünf strategischen Schwerpunktfeldern der TU Graz. 

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