Stickoxidmessung mit dem richtigen Riecher

StickoxidmessungDer Quantenphysiker Tilman Pfau (r.) und Projektmitarbeiter Harald Kübler vor einer Versuchsanordnung. Foto: Roeder

Die Stickoxidmessung, die im Dieselskandal  so wichtig war, soll deutlich präziser und handhabbarer werden. Die Universitäten Stuttgart und Ulm arbeiten an einem neuen Messverfahren nicht nur für dieses Gas.

Die Nase eines Hundes ist hundertausendmal empfindlicher als die eines Menschen. Durch entsprechendes Training kann der Vierbeiner tatsächlich bestimmte Krankheiten beim Menschen riechen, jedoch nichts über sie sagen.

Physiker der Universität Stuttgart haben jetzt den Plan, eine künstliche Nase zu bauen, die noch deutlich empfindlicher ist. Im Gegensatz zur Hundenase soll das neue Messverfahren bestimmte Substanzen in der Atemluft ermitteln und auch in exakt welcher Konzentration sie zu welchem Zeitpunkt vorhanden sind.

Die Stickoxidmessung ist der erste Test fürs neue Verfahren

Das Verfahren, dessen sich Tilman Pfau und sein Team vom 5. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart zusammen mit dem interdisziplinären Zentrum für Integrierte Quantenwissenschaft und Quantentechnologie (IQST) für ihre Messungen bedienen, nennt sich optogalvanische Rydbergspektroskopie. Dabei konzentrieren sich die Physiker zunächst darauf, mit dem Verfahren Stickstoffmonoxid (NO) zu messen.

„Mit unseren Lasern bringen wir bestimmte Moleküle – in unserem Projekt ist es Stickstoffmonoxid – in einen hochangeregten Zustand, einen sogenannten Rydbergzustand. Sobald die Moleküle in der Gaswolke aufeinander stoßen, werden sie ionisiert. Die dadurch entstandenen Ladungen werden gezählt und geben Rückschluss auf die Anzahl der Stickstoffmonoxid-Moleküle in der Probe“, erklärt Projektmitarbeiter Harald Kübler das Verfahren.

„Wir stellen fest, dass unser Gassensor in der Lage ist, NO-Konzentrationen von weniger als 10 ppm (zehn Teilchen pro einer Million Teilchen) zu detektieren. Das funktioniert bei atmosphärischem Druck und ist in der Genauigkeit derzeit nur durch die Art und Weise begrenzt, wie wir Gasverdünnungen herstellen“, fasst Pfau den Stand der Forschung zusammen. Ein weiterer Vorteil neben der Präzision der Messungen ist, dass sich der Strom relativ schnell messen lässt, wodurch die Stickoxidmessung auch auf schnelle Veränderungen reagiert.

Die Stickoxidmessung nutzt Quantentechnologie

Rydbergatome, benannt nach dem Schweden Johannes Rydberg, gewinnen in der Quantentechnologie zunehmend Bedeutung. Am IQST werden die Möglichkeiten untersucht, wie sich mit Rydbergzuständen längerfristig neuartige Verfahren industriell nutzen lassen.

Im aktuellen Projekt des IQST geht es darum zu erforschen, inwieweit der optogalvanische Gassensor auf Basis von Rydberggasen für die medizinische Präzisionsdiagnostik nicht nur nutzbar werden, sondern auch neue medizinische Erkenntnisse liefern kann. Dafür wird das Verfahren, von Pfaus Institut ausgetüftelt und stetig weiter optimiert, im Verbund mit dem Institut für Analytische und Bioanalytische Chemie der Universität Ulm unter Leitung von Boris Mizaikoff mit existierenden Messverfahren verglichen.

Neuartiges Sensorprinzip

„Anfangs war unsere Motivation eine andere. Wir wollten unsere Spektroskopietechnik verbessern und elektronische Bauelemente in so eine Gaszelle einbauen. Dabei ist uns klargeworden, dass mit dieser Kombination aus kleinstteiliger Elektronik und den Rydbergatomen ein neuartiges Sensorprinzip möglich wird, mit dem man sehr kleine Konzentrationen von bestimmten atomaren oder molekularen Gasen nachweisen kann“, erzählt Experimentalphysiker Pfau. Es soll in weiterer Folge zur Analyse von relevanten Molekülen im ausgeatmeten Atemgas, also beispielsweise dem oben erwähnten Entzündungsbiomarker Stickstoffmonoxid (NO), aber auch anderen Stickoxiden (NOx), angewandt und getestet werden.

Dabei wird die Expertise des Biochemikers Mizaikoff relevant. „Wir werden feststellen, inwieweit es unsere Verfahren übertreffen kann und zu welchen Konditionen.“ Neben erhöhter Präzision geht es dann vor allem um Parameter wie einfachere Anwendbarkeit und Kosten in der Herstellung und im Praxisalltag.

Relevanz für Umweltanalytik

Es liegt auf der Hand: Diese Gassensorik ist nicht nur für die Atemgasanalyse, sondern gerade beim Stickoxid auch in der Umweltanalytik wichtig. Anachronistisch gesprochen: Mit diesem Verfahren zur Stickoxidmessung, so es schon marktfähig und in die Breite ausgerollt gewesen wäre, hätte es den Dieselskandal wohl nie gegeben. Ein derart präzises und gleichzeitig kleines Messinstrument hätte sich mühelos am Fahrzeug anbringen lassen und die Diskrepanz zwischen Dichtung und Wahrheit in punkto Stickoxidausstoß umgehend angezeigt – als kleine Sonde, die man leicht über einen Schlauch bedienen und an den Auspuff hinhalten kann oder überall dahin, wo zu messende Gase entstehen.

Die Vorteile der Rydberggassensorik legen unmittelbar auf der Hand: Sie lässt sich sehr selektiv für ein bestimmtes Molekül einsetzen und bestimmt höchst sensibel dessen Anteil in einem Gasgemisch. Beim Autoabgas etwa werden Hunderte von verschiedenen Molekülen ausgestoßen. Trotz dieser komplexen Matrix gelingt es hier – genauso wie im Atemgas, zum Beispiel Stickstoffmonoxid-Moleküle anzuregen und diese exakt zu messen.

Diagnostisches Neuland

Ein weiteres Alleinstellungskriterium des neuen Verfahrens ist die Messbarkeit von NO-Konzentrationen auf einem Zeitstrahl, also die Konzentration des in den ersten sowie in den darauffolgenden Millilitern ausgeatmeten Atemgases.

Zwar weiß man schon länger, dass es möglich ist, über Rydbergzustände Moleküle sehr selektiv anzuregen, in seiner praktischen Anwendung steckt diese Form der Gasanalyse aber noch in den Kinderschuhen. „In den kommenden Jahren wird sich genauer herausstellen müssen, was an neuen Informationen mit dem Sensor gewonnen werden kann und was diese bedeuten“, so Pfau. Welche medizinische Aussage etwa hinter dem kontinuierlich zeitaktuellen Messen stecken kann, wenn also im Atem beispielsweise am Anfang viel und am Ende wenig NO enthalten wäre, ist bis dato unbekannt und ein weiterer Forschungsbestandteil, an dem Pfau und Mizaikoff gemeinsam arbeiten.

„Wenn sich das Messprinzip als so empfindlich herausstellt, wie wir erwarten, gibt es sicherlich noch andere Anwendungsmöglichkeiten“, nähren die Wissenschaftler den Wunsch nach neuartigen Diagnoseverfahren.

Vom Großlabor zur Chipgröße

„Die „künstliche Nase“ hat derzeit die Größe einer überdimensionierten Tischtennisplatte, gespickt mit einem Labyrinth optischer Komponenten, die das Laserlicht in die gewünschte Frequenz bringt, um exakte Messungen zu erlauben. So lassen sich die angelegten Prozesse gut messen und bei Bedarf nachjustieren. Wenn es belastbar einwandfreie Ergebnisse liefert, soll das voluminöse Spektroskopielaboratorium mit all seinen Funktionen letztlich auf einen Chip in der Größe eines Fingernagels geschrumpft und in eine Glaszelle ähnlich einer Pipette eingebaut werden.

„Der eigentliche Messkopf kann sehr klein werden, aber die Laser als Lichtquellen, die wir für das Messverfahren benötigen, sind noch relativ groß und lassen sich in den kommenden Jahren nicht dramatisch verkleinern“, sagt Pfau. Die Glaszelle kann also sehr klein werden, muss aber elektronisch und optisch angeschlossen werden – via Kabel, in dem optische Fasern verlaufen. Über diese Lichtleitkabel gelangt das Licht aus den Laserquellen zum Messkopf, dem Chip in der Glaszelle.

Um die Miniaturisierung dieser Zelle voranzutreiben, arbeiten die Physiker am Institut von Pfau seit einiger Zeit eng mit Stuttgarter Ingenieuren der Elektrotechnik um die Professoren Norbert Frühauf und Jens Anders zusammen. Bis das Verfahren industrialisiert werden kann, gehen nach Einschätzung der Forscher allerdings noch mindestens zehn Jahre ins Land. Entsprechend langfristig ist das neue Forschungsvorhaben angesetzt.

Die Beteiligten am Projekt
Im interdisziplinären Zentrum für Integrierte Quantenwissenschaft und –technologie, IQST (Center for Integrated Quantum Science and Technology) bringen Forscherinnen und Forscher der Universitäten Stuttgart und Ulm sowie dem Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart ihre Erkenntnisse aus Physik, Elektrotechnik, Mathematik, Chemie, Biologie und Medizin zusammen.
Erst die gemeinsame Forschung zwischen den verschiedenen Disziplinen ermöglicht es, innovative Ideen in der Quantenwissenschaft voranzutreiben und neuartige Quantentechnologien in Produkte einzubringen, die für die Gesellschaft von Bedeutung sind. Das IQST ist deshalb auch eng mit der Industrie vernetzt. Unterstützt in seinen Forschungen wird das Forschungsbündnis vom Ministerium für Wissenschaft, Forschung und Kunst, Baden-Württemberg sowie den Universitäten Stuttgart und Ulm.

www.iqst.org

Mit dem Atom- und Quantenphysiker Tilman Pfau hat das IQST einen Experten auf dem Gebiet der Rydberg-Gase und ihrer Verhaltensweisen an Bord. Seit vielen Jahren erforscht Pfau insbesondere dipolare Quantengase, stark wechselwirkende Rydberggase und nicht zuletzt die Rydberg-Quantenoptik.
Bei der Atemgasanalyse mit Rydberg-Gassensoren zur Stickoxidmessung im Atem will der Experimentalphysiker zusammen mit Ingenieuren und Chemikern aus der grundlegenden Quantenwissenschaft neue technische Anwendungen für eine noch präzisere medizinische Diagnostik ableiten. Der Part des weltweit renommierten Bioanalytikers Boris Mizaikoff von der Universität Ulm wird es sein, das neue Messprinzip auf seine Alltagstauglichkeit zu testen.

www.pi5.uni-stuttgart.de

www.iis.uni-stuttgart.de

www.uni-ulm.de/iabc

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