In-situ-Analytik heterogener Medien mit frequenz- und leistungsmodulierten Diodenlasern (In-situ Analysis of Heterogeneous Media with Frequency and Intensity Modulated Diode Lasers)

Abstract

Die elektronische Leistungs-und Frequenzmodulierbarkeit von Diodenlasern eröffnet neue Perspektiven für eine Reihe von hochempfindlichen In-situ-Analyseverfahren. Besonders für ,,heterogene" Medien aus den Bereichen der chemischen Technologie, Biotechnologie und Biomedizin, die häufig Gas-, Flüssig-und Festphase nebeneinander enthalten und starke Lichtstreuung aufweisen, ergeben sich nicht-invasive und z. T. konkurrenzlose Analysetechniken. Mit leistungsmodulierten Lasern können in den Proben Photonendichtewellen ausgelöst werden, deren Detektion und Auswertung u. a. einen nicht-invasiven Zugang zu Absorptionsund Streukoeffizient eröffnet. Der Absorptionskoeffizient gestattet qualitative und quantitative Bestimmung von Inhaltsstoffen. Der Streukoeffizient ermöglicht eine physikalische und morphologische Charakterisierung. Die vorliegende Arbeit zeigt die Anwendbarkeit entsprechender Theorien anhand von einfachen Modelllösungen und ermöglicht einen Vergleich mit Auswertungen nach der Theorie von Kubelka und Munk. Messungen von Humanblutproben werden diskutiert. Ein neues Verfahren zur Bestimmung von Porenfeuchte in Schäumen mit einem frequenzmodulierten Diodenlaser in externer Kavität wird demonstriert.Electronic intensity and frequency modulation of diode lasers enables new perspectives for highly sensitive analytical in-situ techniques. For analysis of ,,heterogeneous" media, which may consist of coexisting gaseous, liquid, and solid phases and often show multiple light scattering, non-invasive techniques with outstanding performance characteristics can be developed. Analysis of photon density waves launched by intensity-modulated lasers provide an elegant way for the determination of absorption and scattering coefficients of multiple scattering media. The absorption coefficient can be used for qualitative and quantitative analysis of chemical constituents (which absorb in the range of the laser wavelengths). The scattering coefficient allows characterization of physical and morphological properties of the sample. In the current work, applicability of appropriate radiation transport models was investigated with simple light scattering solutions and compared with results obtained from the treatment according to the theory of Kubelka and Munk. Measurements of human blood samples are discussed. A new method for determination of water vapor partial pressure in a polyurethane foam with a frequency-modulated external cavity diode laser is demonstrated. Schlagwörter: Diodenlaser, Modulationsspektroskopie, Photonendichtewellen 448 tm -Technisches Messen 68 (2001) 10  Oldenbourg Verlag

Gas in scattering media absorption spectroscopy – from basic studies to biomedical applications

“…Thus, there is a basic limitation of GASMAS to translucent materials where some light, if only one per mille of the incident light, can emerge and be available for detection. Measurements of gas in polyurethane foams, which are translucent, were reported by Schael and Reich . Scattering and absorption in the host material mean that GASMAS samples are normally small, on the mm to dm scale, in contrast to LIDAR samples (atmospheres), where ranges of several km are not unusual.…”