FTIR
Extraktive Gasanalyse mit FTIR (Fourier Transformations Infrarot Spektroskopie). "Nicolet Antaris IGS (industrial gas system), Thermo Scientific, 2008"
Grundlagen:
Die IR-Spektroskopie ist eine erprobte und auch in der industriellen Anwendung vielfach eingesetzte Technologie zur Analyse von Gasgemischen. Das FTIR-Verfahren beruht auf den physikalischen Grundlagen der klassischen IR-Spektroskopie. Es handelt sich dabei lediglich um ein verbessertes Verfahren der Messwertaufnahme mit Rechnerunterstützung.
IR-Spektroskopie wird im Wellenlängenbereich von 0,8 bis 50 µm durchgeführt. Die elektromagnetische Strahlung besitzt bei diesen Wellenlängen einen Energieinhalt, der den Schwingungs- und Rotationszuständen von Atomen im Molekülverband entspricht. Somit können grundsätzlich die kovalenten Bindungen in Molekülen angeregt werden. Aufgrund des Messprinzips müssen jedoch einige Einschränkungen bezüglich der Art der detektierbaren Komponenten beachtet werden. Damit elektromagnetische Strahlung mit entsprechender Frequenz von einem Molekül absorbiert werden kann, muss die anzuregende Schwingung zu einer Änderung des Dipolmoments im Molekül führen. Demzufolge ist eine Anregung von zweiatomigen, homoatomaren Molekülen wie bspw. O2, H2 oder N2 aber auch von einatomigen Edelgasen nicht möglich. Diese Moleküle können mittels IR-Spektroskopie nicht direkt erfasst werden. Moleküle, die aus unterschiedlichen Atomarten aufgebaut sind, absorbieren dahingegen durch Anregung der Bindungen bei den für sie charakteristischen Wellenlängen einen gewissen Anteil der einfallenden Strahlung. Die resultierenden Absorptionsspektren werden zur Identifikation der Verbindung benützt. Durch vorhergehende Kalibriermessungen kann zusätzlich die Konzentration der Verbindung im Gasgemisch bestimmt werden.
Bei der klassischen IR-Spektroskopie handelt es sich um ein disperses Messverfahren, d.h. das Absorptionsverhalten bei den einzelnen Wellenlängen wird separat und somit zeitlich versetzt bestimmt. Bei der FTIR-Spektroskopie kann bereits während eines Messschritts das gesamte eingestrahlte Spektrum bezüglich des Absorptionsverhaltens analysiert werden. Dies wird durch die Fourier Transformation des interferierenden Messsignals ermöglicht. Es ergeben sich neben dem Geschwindigkeitsvorteil auch noch Vorteile bei der Kalibrier-Genauigkeit, der erreichbaren Auflösung und beim Signal-Rausch-Verhältnis der Messung.
Die wesentlichen Bestandteile eines FTIR-Spektroskops sind die breitbandig emittierende Strahlungsquelle, das Interferometer in dem die Interferenz des Messsignals erzeugt wird, die Gaszelle mit Probe und der Computer, der nach der Detektion das eingestrahlte Interferogramm mittels Fourier-Transformation in das Absorptionsspektrum umrechnet.
Strahlungsquelle:
Der Globar aus Siliziumkarbid gibt bei seiner Betriebstemperatur von 1500K IR-Strahlung im bereich von 2,5 µm bis 25 µm ab.
Interferometer:
Michelson-Interferometer, bestehend aus zwei getrennten optischen Pfaden, einem Messpfad und einem Referenzpfad. Der Strahlteiler übernimmt zusätzlich die Funktion des teildurchlässigen Spiegels. Das Interferometer-Gehäuse wird mit Stickstoff gespült um die Messgenauigkeit zu erhöhen.
Gaszelle:
Die Gaszelle verfügt über eine optische Weglänge von 2 m. Sie wird atmosphärisch betrieben und von außen auf eine Betriebstemperatur von 185 °C beheizt. Die Beheizung verhindert das auskondensieren von zu analysierenden Komponenten.
Detektor:
Es wird ein MCT-A (Mercury Cadmium Tellurid) Detektor verwendet. Diese Art von Detektor zählt zu den Quantendetektoren. Im Halbleitermaterial der Quantendetektoren werden durch auftreffende Photonen Ladungsträger angeregt und dadurch ein elektrisches Signal erzeugt. Um die Empfindlichkeit des Detektors zur verbessern wird mit flüssigem Stickstoff gekühlt.
Auswertung:
Das FTIR ist mit einem handelsüblichen PC gekoppelt. Die Steuerung der Messwertaufnahme und die qualitative sowie quantitative Analyse der Spektren erfolgt mit den entsprechenden Softwaremodulen auf dem Rechner. Das berechnete Spektrum und die momentane Konzentration der Probe kann online über eine grafische Benutzeroberfläche am Bildschirm angezeigt werden.
Kalibrierung:
Momentan ist das Gerät für die quantitative Analyse der Gase CO, CO2, H2O, CH4, SO2 und HCl kalibriert. Die Kalibrierung kann aber grundsätzlich auf alle IR-aktiven Substanzen erweitert werden. Voraussetzung hierfür ist die Aufnahme der entsprechenden Kalibrierkurven.