CD-Labor für Fortgeschrittene MIR Laserspektroskopie in der (Bio-)prozessanalytik

Dieses CD-Labor erforscht die Wechselwirkungen zwischen Laserstrahlung im mittleren Infrarot-Bereich und chemischen Proben: Auf Basis dieser Grundlagenforschung soll die nächste Generation hochempfindlicher chemischer Sensoren, wie sie etwa für Prozess- und Umweltanalytik benötigt werden, ermöglicht werden.

In diversen Herstellungsprozessen, insbesondere in so sicherheitskritischen Bereichen wie der Arzneimittelproduktion, sind schnelle und verlässliche Prüfverfahren zur Qualitätskontrolle wichtig. Als vielversprechende prozessanalytische Technologie hat sich dabei Spektroskopie erwiesen, die den mittleren Infrarot-Bereich (MIR) nutzt, kurz MIR-Spektroskopie: Damit können nämlich schon binnen Sekunden bis wenigen Minuten mannigfaltige molekülspezifische Informationen gewonnen und zusätzliche Erkenntnisse zu beispielsweise Proteinfaltung gewonnen werden, ohne dass die geprüften Proben beschädigt werden.

Das Team des CD-Labors geht aber noch einen Schritt weiter und untersucht, wie solche Verfahren noch weiter verfeinert werden können, wenn dazu breit durchstimmbare Infrarot-Halbleiterlaser verwendet werden, also IR-Halbleiterlaser mit kontrollierbarer Wellenlänge: Sogenannte „external cavity – quantum cascade lasers“ oder EC-QCLs, die zu dieser Gruppe gehören, bieten das Potential für die Entwicklung chemischer Analysatoren, welche selbst besonders gute konventionelle Infrarotspektrometer übertreffen – und sogar einzelne Moleküle detektieren können.

Das CD-Labor hat sich daher zum Ziel gesetzt, EC-QCL-IR-Spektroskopie über den Stand der Technik weiterzuentwickeln, um hochempfindliche und reproduzierbare Prozessanalytik zu ermöglichen, womit etwa bereits während Produktionsprozessen (in-line bzw. on-line) komplexe Proben mehrfach geprüft werden können. Dieses Prinzip lässt sich aber nicht nur auf solche industriellen Prozesse wie in der Pharma-Industrie anwenden, sondern kann auch in der Umweltanalytik, beispielsweise für die Detektion organischer Spurenverunreinigungen in Wasser, genutzt werden.

Die Grundlagenforschung des Teams fußt dabei auf zwei parallelen Untersuchungssträngen: Einerseits sollen neuartige spektroskopische Messtechniken entwickelt werden, die konventionelle Absorptionstechniken mittels Ausnutzung besonderer EC-QCL-Eigenschaften in puncto Informationsreichtum und Empfindlichkeit übertreffen. Andererseits gilt es, die Wechselwirkung von MIR-Strahlung mit komplexen Proben im Detail zu untersuchen, um das gewonnene Verständnis in die Entwicklung ausgefeilter Techniken zur Datenauswertung einfließen zu lassen: Nur, wenn hier mit einbezogen wird, wie Beschaffenheit von Probe und Instrument sowie Umgebungsbedingungen die spektralen Signaturen von Molekülen und Probenmischungen beeinflussen, kann die gewünschte chemische Information korrekt aus den MIR-Spektren abgeleitet werden.

Die Arbeit des CD-Labors leistet somit einen wichtigen Beitrag zur Qualitätsprüfung wichtiger Produk-te und Ressourcen von chemischen (Arznei-)Produkten bis zu (Trink-)wasser.