Resonanter Photoakustik-Sensor für die Detektion von Isopren im mittleren Infrarotbereich

In diesem Beitrag wird ein resonantes photoakustisches Laserspektrometer zur Detektion von Isopren im Spurenbereich und dessen Verhalten bei variabler Feuchte vorgestellt. Als Lichtquelle dient ein Quantenkaskadenlaser mit externem Resonator (External Cavity, EC-QCL) im Wellenzahlbereich von 820-980 cm⁻¹, während die akustische Detektion in einer zylindrischen Resonanzzelle mit einer Resonanzfrequenz von 5.32 kHz erfolgt. Die Analyse des Rauschverhaltens mittels Allan-Werle-Analyse zeigt, dass das die Nachweisgrenze des Systems bis zu Integrationszeiten von etwa 120 s durch weißes Rauschen dominiert wird. Daraus ergibt sich bei einer Integrationszeit von 100 ms eine Nachweisgrenze (LOD) von 2.7 ppb. Zur Untersuchung des Einflusses von Wasserdampf wurden Isopren-Spektren im Bereich von 880-900 cm⁻¹ bei unterschiedlicher relativer Feuchte aufgenommen. Dabei wurden insbesondere die Absorptionsbanden ν27 und ν28 betrachtet. Während die ν28-Bande bei 906.15 cm⁻¹ eine deutliche spektrale Überlagerung mit der Absorption von Wasser zeigt, ist die ν27-Bande bei 893.72 cm⁻¹ weitgehend frei von Wasserinterferenzen. Kalibrationsmessungen bei unterschiedlichen Luftfeuchten zeigen, dass die Empfindlichkeit bei ν27 unabhängig von der Feuchte ist, während bei ν28 eine Abnahme der Sensitivität mit steigender Luftfeuchtigkeit beobachtet wird. Die Ergebnisse zeigen, dass die ν27-Bande für den quantitativen Isopren-Nachweis unter realistischen, feuchtevariablen Bedingungen deutlich besser geeignet ist und dass eine aufwändige Trocknung der Gasproben vermieden werden kann, sofern der Wasserdampfgehalt bekannt ist. Das vorgestellte System stellt damit eine kompakte und kosteneffiziente Alternative zu etablierten Methoden wie GC-MS oder PTR-ToF-MS dar und eignet sich insbesondere für Anwendungen in der Atmosphärenchemie, Pflanzenphysiologie und Atemgasanalyse.