Chemische Sensoren: Laser ermittelt den molekularen Fingerabdruck

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Wissenschaftler haben eine neuartige Lasertechnik entwickelt, die als chemische Sensor dient. Das Besondere: Der Sensor hat gerade mal die Größe eines Mikrochips.

Ein gewöhnlicher Laser hat genau eine Farbe und alle Photonen, die er abstrahlt, haben genau dieselbe Wellenlänge. Es gibt allerdings auch Laser, deren Licht komplizierter aufgebaut ist. Wenn es aus vielen verschiedenen Frequenzen besteht, zwischen denen der Abstand immer gleich ist, wie zwischen den Zähnen eines Kamms, dann spricht man von einem Frequenzkamm. Mit Frequenzkämmen lassen sich verschiedene chemische Stoffe aufspüren. An der TU Wien wird die spezielle Art von Laserlicht dazu verwendet, um chemische Analysen auf kleinstem Raum zu ermöglichen. Mit der zum Patent angemeldeten Technik, können Frequenzkämme auf einem einzigen Chip einfach und robust erzeugt werden.

Frequenzkämme gibt es schon seit Jahren. Im Jahr 2005 wurde dafür der Physik-Nobelpreis vergeben. „Das Spannende dabei ist, dass man mit zwei Frequenzkämmen relativ einfach ein Spektrometer bauen kann“, erklärt Benedikt Schwarz, der das Forschungsprojekt leitet. „Dabei nutzt man Schwebungen zwischen verschiedenen Frequenzen aus, ähnlich wie sie in der Akustik auftreten, wenn man zwei verschiedene Töne mit ähnlicher Frequenz hört. Wir verwenden die Methode, weil sie ohne bewegliche Teile auskommt und entwickeln damit ein Chemielabor im Millimeter-Format.“

Stabiler Laser für schwierige Umgebungen

An der TU Wien werden Frequenzkämme mit einer ganz speziellen Art von Lasern hergestellt – mit sogenannten Quantenkaskadenlasern. Das sind Halbleiterstrukturen, die aus vielen verschiedenen Schichten bestehen. Wenn man elektrischen Strom durch die Struktur schickt, sendet sie Laserlicht im Infrarotbereich aus. Die Eigenschaften des Lichts kann man steuern, indem man die Geometrie der Schichtstruktur passend wählt.

„Mit einem elektrischen Signal einer ganz bestimmten Frequenz lässt sich der Quantenkaskadenlaser gezielt beeinflussen und wir erhalten eine Reihe von Lichtfrequenzen, die alle miteinander gekoppelt sind“, sagt Johannes Hillbrand, Erstautor der Publikation. Das Phänomen erinnert an Schaukeln auf einem Schaukelgerüst – wenn man nicht die einzelnen Schaukeln anstößt, sondern in der richtigen Frequenz am Gerüst wackelt, kann man alle Schaukeln dazu bringen, in bestimmten gekoppelten Mustern zu schwingen.

„Der große Vorteil unserer Technik ist die Robustheit des Frequenzkamms“, sagt Benedikt Schwarz. Ohne diese Technik sind die Laser extrem empfindlich gegen Störungen, wie sie außerhalb des Labors unvermeidlich sind – etwa Temperaturschwankungen oder Reflexionen, die einen Teil des Lichts wieder in den Laser zurücksenden. „Unsere Technik kann mit sehr geringem Aufwand realisiert werden und eignet sich daher hervorragend für praktische Anwendungen selbst in schwierigen Umgebungen. Die benötigten Bauelemente findet man heute im Grunde in jedem Mobiltelefon“, betont Schwarz.

Fingerabdruck eines Moleküls

Dass der Quantenkaskadenlaser einen Frequenzkamm im Infrarotbereich erzeugt, ist deshalb wichtig, weil viele wichtige Moleküle genau in diesem Bereich am besten detektiert werden können. „Verschiedene Luftschadstoffe, aber auch Biomoleküle, die für die medizinische Diagnostik eine wichtige Rolle spielen, absorbieren ganz bestimmte Lichtfrequenzen im Infrarotbereich. Man bezeichnet das oft auch als optischen Fingerabdruck des Moleküls“, erklärt Johannes Hillbrand. „Wenn man also misst, welche Infrarot-Frequenzen von einer Gasprobe absorbiert werden, kann man ganz genau sagen, welche Stoffe sie enthält.“

Es sind keine Linsensysteme, keine beweglichen Teile und keine optischen Isolatoren notwendig, die nötigen Strukturen sind winzig. Das gesamte Messsystem lässt sich auf einem Chip im Millimeterformat unterbringen. Beispielsweise ließe sich der Chip auf einer Drohne unterbringen und Luftschadstoffe messen. An der Wand montierte Messchips könnten in gefährdeten Gebäuden nach Sprengstoffspuren suchen. Man könnte die Chips in medizinische Geräte einbauen, um Krankheiten an chemischen Spuren in der Atemluft zu erkennen.

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