Mid-IR laser based sensing strategies for liquids

Abstract

Mittlere Infrarotspektroskopie ist eine chemische Analysentechnik, die qualitative und quantitative Informationen zu einer Probe liefert. Der limitierende Faktor in konventionellen Absorptionsmessungen ist die geringe Strahlleistung von Breitband-Lichtquellen, die im mittleren Infrarotbereich emittieren. Diese Limitation konnte mit Lasern überwunden werden, die monochromatische und kohärente Lichtquellen mit einer hohen spektralen Auflösung darstellen. Vor allem Quantenkaskadenlaser haben in den vergangenen Jahren Aufmerksamkeit erlangt, da sie sich über einen breiten Spektralbereich erstrecken und damit die Analyse von verschiedenen flüssigen Proben erlaubt.In dieser Arbeit wurden laser-basierte Lichtquellen in unterschiedlichen Szenarien für die Anwendung als Sensoren von flüssigen Proben untersucht. Ein Dualfrequenzkammspektrometer und ein Dualquantenkaskadenlasersetup wurden dabei charakterisiert und für deren Anwendbarkeit in der Quantifizierung von Öl-in-Wasser nach industrieller Norm evaluiert. Dabei wird eine wässrige Probe mit Cyclohexan extrahiert, getrocknet und die Absorption der Infrarotstrahlung eines Lasers gemessen. Das Dualquantenkaskadenlasersetup zeigte dabei die besseren Ergebnisse und wurde dann in einen Prototypen mit der entsprechenden Elektronik implementiert. Zusätzlich wurde dafür ein System für die Flüssigkeitshandhabung entworfen, das eine kontinuierliche Flüssig-Flüssig-Extraktion enthielt. Der entwickelte Prototyp wurde dann für die on-line Messung in einem Prozesswasserstrom angewendet.Daneben wurden Quantenkaskadenlaser in einem Setup basierend auf photothermischer Ablenkungsspektroskopie angewendet. Diese stellt eine indirekte Methode dar, bei der eine direkte Proportionalität zwischen dem Signal und der Strahlleistung des Anregungslasers besteht. Damit wurde die Messbarkeit von wässrigen Verunreinigungen in organischen Lösungsmitteln untersucht.

Mid-infrared spectroscopy is a powerful tool offering qualitative and quantitative information in analytical chemistry. The limiting factor in conventional direct absorption techniques is the low spectral power of broadband mid-infrared light sources. To overcome this limitation, high power lasers have been applied in the field of infrared spectroscopy. They are monochromatic, coherent light sources with a high spectral resolution. Especially quantum cascade lasers have attracted attention in recent years as they are tunable over a wide range of spectral lines enabling the analysis of various liquid samples.In this work, the application of laser-based light sources in different schemes for liquid sensing has been investigated. A dual frequency comb spectrometer and a dual distributed feedback quantum cascade laser setup were characterized and evaluated for their applicability in the quantification of oil in water according to industrial standards. Here, a water sample is extracted with cyclohexane, dried and the absorption of infrared radiation by a laser measured. The latter showing more promising results was then implemented in a prototype with a liquid handling system containing a continuous liquid-liquid extraction and the necessary electronics to allow on-line measurements in a process water stream. In addition, quantum cascade lasers were applied in a setup based on photothermal deflection, which is an indirect spectroscopy technique, where the obtained signal is directly proportional to the power of the excitation light source. With this, the possibility of measuring water impurities in organic solvents was investigated.