Mini-Laser kontrolliert Qualität in Echtzeit

FREIBURG / DRESDEN. Pharmazeutika, Lebensmittel oder sonstige Industrieerzeugnisse - ständig kommen verbesserte oder verträglichere Produkte auf den Markt. Wichtig bei der Entwicklung neuer Pillen, Kapseln und Co.: Ihre Qualität muss stimmen.

Mit einem speziellen InfrarotLaser könnte das künftig weitaus einfacher gehen als bisher. Entwickelt wurde er an den Fraunhofer-Instituten für Angewandte Festkörperphysik IAF in Freiburg und für Photonische Mikrosysteme IPMS in Dresden.

"Unser Quantenkaskadenlaser ermöglicht eine neue Art der Spektroskopie", erläutert Dr. Ralf Ostendorf, Projektleiter am Fraunhofer IAF, in einer Mitteilung der Fraunhofer-Gesellschaft.

"Der Verlauf chemischer Reaktionen, zum Beispiel bei der Entwicklung neuer Pharmazeutika, könnte bald in Echtzeit kontinuierlich verfolgt werden, statt wie bisher nur in Form einzelner Stichproben."

Bisher nehmen Laboranten Proben aus den Reaktionsgefäßen und untersuchen sie per Chromatografie oder Spektrometer, um zu überprüfen, ob die chemische Reaktion wie gewünscht abläuft.

Eine langwierige Angelegenheit, die nur eine stichprobenartige Untersuchung erlaubt.

Das neue Prinzip: Der Laser strahlt Infrarotlicht in das Reaktionsgefäß. Die darin enthaltenen Substanzen absorbieren einen Teil des Lichts, der Rest wird wieder zurückgeworfen und in einem Detektor analysiert. Jede Substanz "verschluckt" dabei das Licht unterschiedlicher Wellenlängen.

Das Ergebnis ist ein Absorptionsspektrum, über das sich die jeweilige Substanz präzise bestimmen lässt - so ähnlich, wie bei der Identifikation eines Menschen anhand seines Fingerabdrucks.

So kann man angeben, wie hoch die Konzentration der Ausgangsstoffe im Behälter ist und welche Mengen bereits umgesetzt wurden - und zwar zu jedem beliebigen Zeitpunkt der Reaktion.

Der Laser darf jeweils nur Licht einer bestimmten Wellenlänge aussenden. Diese muss sich kontinuierlich verändern lassen - und zwar über einen großen spektralen Bereich.

Das Laserlicht hat also anfangs eine sehr kleine Wellenlänge, die stetig bis zu einem festgelegten Wert zunimmt - bevor das Prozedere wieder von vorn beginnt.

Der Detektor bestimmt dann für jede Wellenlänge, wie viel Licht die Probe zurückwirft. Weiterhin muss der Laser seine Wellenlänge möglichst schnell ändern.

Tausend Spektren pro Sekunde

Bislang brauchte der Laser einige Sekunden, um alle Wellenlängen durchzustimmen und so eine Aussage darüber zu treffen, wie es um die zu analysierende chemische Reaktion steht.

Die Forscher vom IPMS konnten diese Geschwindigkeit nun um den Faktor 1000 steigern: Mit einem von ihnen entwickelten mikromechanischen Scannerspiegel. Statt eines Spektrums pro Sekunde können sie nun tausend Spektren pro Sekunde aufnehmen.

Klein wie eine Streichholzschachtel

Der Laser ist nur wenig größer als eine Streichholzschachtel. Damit passt er nicht nur gut an die Reaktionsgefäße in der pharmazeutischen oder chemischen Industrie, er ermöglicht auch weitere Anwendungen.

Denkbar ist ein Handgerät, mit dem Polizisten oder Zollbeamte verdächtige Substanzen überprüfen können.

Handelt es sich um etwas Unbedenkliches wie Mehl oder doch um Drogen? Um diese Frage zu beantworten, müssten die Einsatzkräfte einfach nur den Laserstrahl auf die Substanz richten.

Der Detektor analysiert das aufgenommene Spektrum, eine dahinter liegende Software gleicht es mit den zahlreichen gespeicherten Vergleichsspektren ab - und in Sekundenschnelle haben die Beamten Klarheit.

Ein erster Labordemonstrator des Quantenkaskadenlasers ist bereits fertig. Einen Prototyp wollen die Forscher bis Ende 2015 entwickeln. (eb)