In-situ-Analytik heterogener Medien mit frequenz- und leistungsmodulierten Diodenlasern

摘要

Die elektronische Leistungs- und Frequenzmodulierbarkeit von Diodenlasern eroeffnet neue Perspektiven fuer eine Reihe von hochempfindlichen In-situ-Analyseverfahren. Besonders fuer "heterogene" Medien aus den Bereichen der chemischen Technologie, Biotechnologie und Biomedizin, die haeufig Gas-, Fluessig- und Festphase nebeneinander enthalten und starke Lichtstreuung aufweisen, ergeben sich nicht-invasive und z.T. konkurrenzlose Analysetechniken. Mit leistungsmodulierten Lasern koennen in den Proben Photonendichtewellen ausgeloest werden, deren Detektion und Auswertung u.a. einen nicht-invasiven Zugang zu Absorptionsund Streukoeffizient eroeffnet. Der Absorptionskoeffizient gestattet qualitative und quantitative Bestimmung von Inhaltsstoffen. Der Streukoeffizient ermoeglicht eine physikalische und morphologische Charakterisierung. Die vorliegende Arbeit zeigt die Anwendbarkeit entsprechender Theorien anhand von einfachen Modellloesungen und ermoeglicht einen Vergleich mit Auswertungen nach der Theorie von Kubelka und Munk. Messungen von Humanblutproben werden diskutiert. Ein neues Verfahren zur Bestimmung von Porenfeuchte in Schaeumen mit einem frequenzmodulierten Diodenlaser in externer Kavitaet 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.