Dipl.-Ing. Gabriele Goet

FTIR-Spektroskopie

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Abb. 1 IR-spektren von CO2 bei 500 mbar – 3000 mbar

Viele Messaufgaben am Institut beinhalten die Analyse von Gasen und Gasgemischen z.B. in Abgasen mittels TDLAS und SCLAS. Dafür sind spektrale Linienparameter von Molekülen von zentraler Bedeutung. In vorhandenen spektralen Datenbanken sind diese jedoch nicht immer vollständig bzw. in ausreichender Güte für einige interessante Moleküle in bestimmten Druck- und Temperaturbereichen vorliegend.

Interessante Messgrößen sind ebenso sind Filmdicken, Temperaturen und Konzentrationen von verschiedenen Flüssigkeiten wie z.B. Harnstofflösung (AdBlue), das bei Fahrzeugen mit SCR-Systemen zur Reduzierung der Stickoxidemissionen vor einem speziellen Katalysator eingespritzt wird und dort mit den Schadstoffen reagiert und diese fast vollständig in Wasserdampf und ungefährlichen Stickstoff umwandelt oder von Ölfilmen in Motoren, sind in vielen Forschungsaufgaben wichtige Parameter zum Verständnis komplexer Wirk- und Reaktionsmechanismen. Hier leistet die FTIR-Spektroskopie ihren Beitrag zur aktuellen Forschung am Institut.

Wird ein Molekül Infrarotlicht ausgesetzt, absorbiert es dieses spezifisch für die im Molekül vorhandenen Bindungen zwischen den Atomen und wandelt diese Energie in Molekülschwingungen um. Diese Absorption in Abhängigkeit von der Wellenlänge wird mit dem Spektrometer gemessen. Die FTIR-Spektroskopie ermöglicht es alle spektralen Informationen zeitgleich aufzunehmen. Eine kontinuierliche Lichtquelle erzeugt über einen breiten Bereich von Infrarotwellenlängen Licht. Zuerst durchläuft es ein Interferometer, dann die Probe und wird vom Detektor registriert. Daraus erhält man ein Interferogramm, das die Lichtintensität in Abhängigkeit der Position eines Spiegels zeigt. Dieses Signal wird dann Fourier transformiert (FT) und man erhält die Intensität in Abhängigkeit der Wellenzahl. [1]

Am Institut wird das Spektrometer VERTEX 80V der Firma BRUKER OPTIK GmbH verwendet. Verschiedene Detektoren im Nahen Infrarotbereich (InGaAs, InSb) und mittleren Infrarotbereich (DLaTGS, MCT) kommen zum Einsatz, ebenso ein Globar als MIR-Quelle und eine Halogenlampe als NIR-Quelle. Durch externe Aus- und Eingänge besteht zusätzlich die Möglichkeit andere externe Lichtquellen und Detektoren an das Spektrometer anzuschließen und auch Messungen außerhalb des Probenraums des Spektrometers durchzuführen. Verschiedene temperierbare und vakuumtaugliche Gasmesszellen, Flüssigkeitsmesszellen mit variabler Schichtdicke kommen neben herkömmlichen Aufnahmetechniken wie der Präparation von Filmen zwischen CaF2-Fenstern und Anfertigen von KBr-Presslingen zum Einsatz.

[1] www.bruker.com

Abb. 2 Absorbanzspektren (Ausschnitt) von Oil 3 verschiedener Filmdicken mit den selektierten Wellenzahlen

Methodenentwicklung zur Filmdicken- und Temperaturbestimmung von Ölfilmen

Um mit Hilfe von Filmlegern definierte Filmdicken legen zu können, ist die Kenntnis z. B. des Einflusses der Ölkonzentration, der Haltezeit und der Drehzahl auf die Filmdicke an Rotationsfilmlegern entscheidend. Da die Ölfilmdicken zudem temperaturabhängig sind, ist ebenfalls die Bestimmung der Temperatur notwendig. Um die Filmdicke und Temperatur mittels FTIR-spektroskopie bestimmen zu können, muss zunächst eine Kalibration dieser Parameter anhand von Messungen mit definierten Filmdicken und Temperaturen im gewünschten Variationsbereich der zu analysierende Komponenten am FTIR-Spektrometer erstellt werden.

Die Methodenentwicklung erfolgt softwareunterstützt. Jeder Komponente wird hierbei eine Bande im Spektrum zugewiesen (Abb. 2). Aus diesen Banden und den bekannten Komponentenwerten werden die Kalibrationskurven ermittelt, die lineare, quadratische oder kubische Polynome sein können.

Die Software beinhaltet verschiedene Integrationsmodi, die es ermöglichen Basislinien unterschiedlich zu setzen und Peakhöhe oder Peakfläche zu berechnen. Zudem können Datenvorbehandlungen wie Offset-Korrekturen oder Normierungen eingesetzt werden.

In der Kalibrierung werden die Bandenintensitäten mit den bekannten Komponentenwerten durch einen Least Squares Fit korreliert. Die Beurteilung der Methode erfolgt anhand des Korrelationskoeffizienten. Mit Hilfe der erstellten Kalibrierung wird anschließend ein Testdatensatz mit bekannten Komponentenwerten analysiert und die Abweichungen zwischen diesen und den vorhergesagten Werten ermittelt.

So wurden u.a. für Messungen am KIT-Filmleger NIRS-Methoden für verschiedene Öle zur Filmdickendickenbestimmung im Bereich von t = 15 µm bis 310 µm mit Korrelation von r ≥ 0.999 und σ ≤ 3 µm und für Temperaturbestimmung im Bereich von T = 25 °C bis 140 °C mit r ≥ 0.997 und σ ≤ 2°C entwickelt.

Methodenentwicklung zur Filmdicken-, Temperatur- und Konzentrationsmessung von AdBlue

Am generischen Abgasprüfstand des Instituts sollen Filmdicken-, Temperatur- und Konzentrationsmessungen von AdBlue durchgeführt werden. Dazu wird zurzeit ein laserbasiertes Messsystem entwickelt. Als Voruntersuchungen hierfür wurden ebenfalls am FTIR-Spektrometer NIRS-Methoden mit sehr guten Ergebnissen für alle drei Parameter entwickelt.