IRSENS Optische Technik für die Analyse von Gasen und Flüssigkeiten, z.b. Cocaïne im Speichel J. Faist, P. Jouy ETH Zurich Nano Tera.ch Info Day 2014
Sensors verlangt Umgebung Gas Fluids Diagnostik Luftqualität Selectiv empfindlich Detektion von kleine Moleküle (CO, CO 2, N x O y,...) Tragbar, Geringe Leistungverbrauch Drogen messung Leck Detektion Verkehrsicherheit
Ansatzt: optische Technik Laser Detector
Warum mittleinfrarot? Der Mittleinfrarot 2.5 µm < λ < 25 µm (4000 cm -1 400 cm -1 ) Grundübergänge von Schwingungsanregungen Atmospheric windows (3.5-4.8 µm / 8-12 µm) Applications Ø Medicine Ø Sensing Ø Emission monitoring Ø Process control Ø Free-space communication Ø Defense Ø Homeland security Source: HITRAN 2008
Photonik: immer teuer? Vorurteil #1: Optik bedeutet Linsen, Strahlausrichtung, und ist denn teueur Contains a single mode laser, lens Detector(s). Retail price: ~10CHF Contains a single laser, high NA lens, tracking mechanism, detector, etc.. Retail price: ~50CHF
Mittleinfrarot: unreif? Vorurteil #2: Mittleinfrarot ist unreif, kein Linsen, kein Fasern, schlechte Detektoren, teure Laser Detector: 20pW NEP TEC cooled Quantum cascade lasers Aspheres with NA up to 0.8 Fibers
Gas Detektor: Diagramm Quelle: DFB Quantum Cascade Laser Wechselwirkung Detektor: Quantum Cascade Detector Ziel: alle Teile müssen ein günstiges Herstellungskosten für grosse Menge zu haben Im Vergleich mit gewönliche Systeme: - MCT Detektor with III-V quantum cascade Detector ersetzen - Neue Wechselwirkung Zelle
Gas Messungen
Die optische Schwächung von CO 2 Isotopen 12 C 16 O 2 : Hauptisotop. 13 C 16 O 2 : Hinweis für heliobacter pyroli Bauchkrebs 18 O 12 C 16 O: Bestimmt quantitativ Erdbodenaustauchprocessen. 17 O 12 C 16 O: Indikator für Stratospherich Luft.
Gas Sensor: Ringzelle mit «Fringe Killer» Ohne Blende -> Interferenz, fringes Mit Blende: A patent was filed protecting the use of an absorption mask in a gas cell for MIR laser spectroscopy. B. Tuzson, M. Mangold, H. Looser, A. Manninen, L. Emmenegger, Opt. Lett. 38, 257 (2013). M. Mangold, B. Tuzson and L. Emmenegger, "Method for reducing fringes in laser spectroscopy measurements using an absorption mask in combination with multi-pass optical cells". Switzerland Patent 01884/12, 2012.
Gas sensor: packaging
Gas sensor: packaging Light source: a quantum cascade laser Interaction system: a multipass reflection cell Light detector: a quantum cascade detector
Ultra-compact CO 2 isotope analyzer - Full control on experimental environment, laser operation, and data acquisition 13 CO 2 to 12 CO 2 isotope ratio measurements - Real-time fitting engine (up to 1kHz) Rel. standard deviation ( ) - Directly linked to HITRAN database 1 0.1 10 0 10 1 10 2 10 3 10 4 Averaging time (s) Isotope ratio measurement precision of 0.2.
Messungen im Flüssigkeiten
Messungen in Flüssigkeiten : benchmarking mit FTIR 0.06 0.05 0.04 Absorbance 0.03 0.02 0.01 0 1800 1700 1600 1500 1400 1300 Wavenumber [cm 1 ] 1200 1100 1000 Vergleich von optischen Spektren von rein Kokain, TCE Phase von Extract vom Speichel spiked mit rein Kokain aund ein Extract von Speichel spiked mit street Kokain (vom Forensisches Institut Zürich)
Messungen in Flüssigkeiten: Si/Ge Wellenleiter Evanescence interaction:
Messungen in Flüssigkeiten: Mikrofluidik Extrakt Parallel Flow Merging Drainage Extraction Droplet Generation Parallel Flow outlet inlet Saliva PCE Cocaine
Messungen in Flüssigkeiten: integrierte System Cocaine measurement in saliva using the all in one chip:
Messungen in Flüssigkeiten: Lage Real life equivalence Cocaine concentration in saliva Detection limit of our system After one dose: 500 µg/ml All integrated system 100 µg/ml 5 µg/ml Long waveguide-liquid interaction Legal limit: 20 ng/ml Integration of reference channel and stabilization to reach ΔI / I = 10-5
Fiber-based solution Direct absorption in a tube with optical fibers: Single / multi mode fibers 0.5 mm diameter stainless steal U tube Laser Detector 25 µg/ml 500 ng/ml 250 ng/ml
Messungen in Flüssigkeiten: Lage Real life equivalence Cocaine concentration in saliva Detection limit of our system After one dose: 500 µg/ml All integrated system 100 µg/ml 5 µg/ml Long waveguide-liquid interaction 250 ng/ml Direct absorption with optical fibers Legal limit: 20 ng/ml Integration of reference channel and stabilization to reach ΔI / I = 10-5
Zusammenfassung References: - P. Jouy et al, Mid-infrared spectroscopy for gases and liquids based on quantum cascade technologies, Analyst, in press (2014) - www.qoe.ethz.ch www.rsc.org/analyst PAPER Mid-infrared spectroscopy for gases and liquids based on quantum cascade technologies Pierre Jouy* a, Markus Mangold b, Béla Tuzson b, Lukas Emmenegger b, Yu-Chi Chang c, Lubos Hvozdara c, Hans Peter Herzig c,philip Wägli d, Alexandra Homsy d,e, Nico F. de Rooij d and Jérôme Faist a
IrSens team ETH Zurich: Markus Sigrist J. Faist EPFL E. Kapon E. Charbon A. Homsy, N. DeRooij, H.P Herzig UNINE D. Hofstetter FHNWS H. Looser EMPA L. Emmenegger - 25 per review papers - 2 patents - Large media coverage - A lot of knowledge and technology transfer