DE102007038657B4

DE102007038657B4 - Vorrichtung zur lichtoptischen Spurendetektion von Explosivstoffen

Info

Publication number: DE102007038657B4
Application number: DE102007038657A
Authority: DE
Inventors: Dr. Bohling Christian; Dr. Spanner Helmut
Original assignee: Crylas Crystal Laser Systems GmbH
Current assignee: Secopta Analytics De GmbH
Priority date: 2007-08-15
Filing date: 2007-08-15
Publication date: 2013-04-18
Anticipated expiration: 2027-08-16
Also published as: DE102007038657A1

Abstract

Vorrichtung zum licht-optischen Spurennachweis von Explosivstoffen mit einer Lichtquelle, optischen Sensoren, einem selektiv adsorbierenden Rezeptorfilm und einer optischen Oberfläche, die auf einem planaren oder zylindrischen Wellenleiter gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Oberfläche mit einer Nanostruktur aus ZnO-Nanodrähten in der Form eines Bragg-Gitters versehen ist, die Nanostruktur mit dem Rezeptorfilm belegt ist und der Rezeptorfilm supramolekularen Rezeptoren auf Triphenylenketalbasis aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur licht-optischen Spurendetektion von Explosivstoffen nach dem Oberbegriff des Hauptanspruches.
Stand der Technik
Da Explosivstoffe meist aus Nitroaromaten bestehen, werden besonders diese zur Analytik genutzt. Nitroaromatbasierte Explosivstoffe zeichnen sich durch einen extrem niedrigen Dampfdruck (10^–9 bis 10^–6 mbar) aus, was unter Gleichgewichtsbedingungen einer typischen Konzentration von kleiner 5 ppb (parts per billion) entspricht. Im Stand der Technik, so z. B. J. W. Gardner, J. Vinon, (Hrsg) Electronic Noses & Sensors for the Detection of Explosives, NATO Science Series, II- Vol. 159, Kluwer, Dordrecht 2004, können derart geringe Konzentrationen mit spektroskopischen Methoden nur sehr aufwändig unter Laborbedingungen nachgewiesen werden.
Auf der anderen Seite besteht aber ein zunehmender Bedarf an einfachen und unter Atmosphärenbedingungen arbeitenden Analytikverfahren für den Nachweis von Explosivstoffen. Mögliche Anwendungen derartiger Sensoren sind: Integration in Personenschleusen, robotische Systeme oder handgeführte Detektoren (z. B. Metalldetektoren) um so bei Zugangskontrollen kritischer Bereiche (Flughäfen, Großveranstaltungen) oder bei routinemäßigen Untersuchungen (Verkehrs- oder Personenkontrollen) Explosivstoffe unter Echtzeitbedingungen zu delektieren.
Zum Stand der Technik wird weiter auf die Literaturstelle Schade, W. et al: Photonische Sensoren für die Sicherheitstechnik. In: Photonik, Vol. 4, 2006, S. 70–73 und die US 2007/0059211 A1 hingewiesen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine hochempfindliche, zuverlässige Vorrichtung für den Echtzeit-Spurennachweis von Explosivstoffen zu liefern.
Die vorliegende Erfindung löst die Aufgabe mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs. Insbesondere setzt die Erfindung hierzu optische Wellenleiter ein, die mit erfindungsgemäßen, neu entwickelten Rezeptorfilmen beschichtet werden. Diese Rezeptorfilme sind derart konzipiert, dass sie selektiv eine Molekülart adsorbieren und dabei eine Farbänderung des Rezeptormoleküls induzieren. Diese Farbänderung lässt sich lichtoptisch sehr empfindlich nachweisen und bietet die Möglichkeit beispielsweise TNT (2,4,6-Trinitrotoluol) bis in den ppt(parts per trillion)-Bereich nachzuweisen. Zusätzlich ermöglicht die Selektivität der Rezeptoren einen Nachweis von trinitrierten Aromaten (Explosivstoffstoffe) in Gegenwart der viel flüchtigeren und häufig vorkommenden Mono- und Dinitroaromaten (keine Explosiv-, Sprengstoffe, Gebrauchschemikalien). Dies ermöglicht eine neue Nachweisqualität, welche von den gängigen Methoden nicht erreicht wird.
Explosivstoffe bestehen in der Regel aus sehr elektronenarmen Molekülen, die meist Nitrogruppen oder Peroxide enthalten. Gängige Anfärbemethoden beruhen auf der irreversiblen Reaktion mit sehr elektronenreichen Substanzen.
Ms Beispiele seien hier das Octamethyltetraaminoethen aus dem EXSPRAY (vgl. http://www.mistralgroup.com/SEC_explosives.asp) bzw. Wursters Reagenz (N,N,N',N'-Tetramethyl-p-phenylendiamin) genannt. Diese führen je nach Analyt zu einer rötlichen bis schwarzen Färbung. Die Farbbildungen sind sehr unselektiv, z. B. treten sie auch mit den entsprechenden Dinitroverbindungen auf, die keine Sprengstoffe sind, und führen somit zu häufigen falsch-positiven Ergebnissen.
Eine reversible Erkennung sowie Farbbildung mit Explosivstoffen ist vorteilhaft, denn sie erlauben ein kontinuierliches Messverfahren. Sessler und Mitarbeiter haben ein Tetrathiofulvalen-System entwickelt, welches mit Trinitrobenzol einen leichten Farbwechsel zwischen grün und gelb erlaubt. Allerdings zeigt das letzt genannte System eine sehr hohe Anfälligkeit durch ubiqitäre Chloridsalze, z. B. Kochsalz. Darüber hinaus spricht das Sessler-System ebenfalls auf die häufig vorkommenden Chinone an wie in den Artikeln K. A. Nielson, W. S. Cho, J. O. Jeppesen, V. M. Lynch, J. Becher, J. L. Sessler, J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, Tetra-TTF Calix[4]pyrrole: A Rationally Designed Receptor for Electron-Deficient Neutral Guests, 16296–16297; und P. A. Gale, J. L. Sessler, V. Kral, V. Lynch, Calix[4]pyrroles: Old Yet New Anion-Einding Agents J. Am. Chem. Soc. 1996, 118, 5140–5141 beschrieben.
Daraus kann festgestellt werden, dass bis heute keine hochselektive und empfindliche Farbreaktion auf TNT bekannt ist.
Auf der anderen Seite induziert die Anlagerung von beispielsweise TNT in das Rezeptormolekül neben der Farbänderung auch eine Änderung des Brechungsindex in der Rezeptorfilmschicht. Durch Einbringen von sog. Bragg Gittern in den Wellenleiter, der mit dem Rezeptorfilm beschichtet ist, lassen sich bereits sehr geringe Brechzahländerungen hochempfindlich nachweisen. Da die Rezeptorfilme selektiv z. B. nur TNT anlagern, kann dementsprechend eine Änderung der Brechzahl in dem Film einer bestimmten Konzentration von TNT zugeordnet werden. Im Gegensatz zu gewöhnlichem Silikatglasmaterial bietet Zinkoxid (ZnO) die Möglichkeit, entsprechende Rezeptorfilme mit extrem hoher Homogenität aufzubringen. Erfindungsgemäß werden daher die Sensoroberflächen mit ZnO-Nanostrukturen versehen. Dieses bietet gegenüber dem Stand der Technik drei wesentliche Vorteile:

(1) Es lassen sich sehr homogene Rezeptorfilme auf der Sensoroberfläche aufbringen;
(2) durch die Nanostrukturen wird die Oberfläche vergrößert und dadurch die Empfindlichkeit derartiger Sensoren deutlich gesteigert; und
(3) durch geeignete Strukturierung der Nanodrähte auf der Oberfläche (z. B. in Form einer Bragg-Gitterstruktur) lassen sich prinzipiell extrem geringe Brechzahländerungen sehr präzise messen.

Eine Vorrichtung mit entsprechenden Wellenleiterelementen für die Herstellung von licht-optischen Sensorelementen für den hochselektiven und hochempfindlichen Spurennachweis von nitroaromathaltigen Explosivstoffen (z. B. TNT) ist Gegenstand dieser Patentanmeldung.
Rezeptorschichten
Für die selektive Erkennung von Koffein und verwandte Oxopurine wurden bereits erste künstliche Rezeptoren hergestellt und detailliert untersucht. Die Bindung der Rezeptoren zum Koffein erzeugt keine Farbänderung, jedoch können andere optische Eigenschaften, wie z. B. Fluoreszenz des Komplexes zur Koffeinanalytik in realen Proben genutzt werden. Siehe hierzu: C. Siering, B. Beermann, S. R. Waldvogel, Supramolecular approach for sensing caffeine by fluorescence, Supramolecular Chemistry 2006, 28, 23–27; C. Siering, H. Kerschbaumer, M. Nieger, S. R. Waldvogel, A supramolecular fluorescence probe for caffeine, Org. Lett. 2006, 8, 1471–1474 und D. Mirk, H. Luftmann, S. R. Waldvogel, Rapid evaluation of suitable substrates with high affinity to artificial Caffeine receptors by MS based techniques, Zeitschrift für Naturforschung B-Chemical Sciences, 2005, 60, 1077–1082.
Die Erfinder haben nun festgestellt, dass unerwarteterweise auch bestimmte Explosivstoffmoleküle mit den Koffeinrezeptoren eine spezifische Färbung erzeugen. Detaillierte Untersuchungen zeigen, dass dieser extrem gefärbte Komplex seine Farbwirkung einer Charge-Transfer-Wechselwirkung verdankt. Die Wechselwirkung kann in Lösung aber auch über die Gasphase sowie durch Diffusion von Festkörpern zustande kommen. Die räumlichen Restriktionen durch die Alkyl- oder Arylreste an der Rezeptoroberseite führen zur dieser ungewöhnlichen Selektivität.
Wird z. B. ein Menthyl-modifiziertes Triphenylenketal eingesetzt, so sprechen aus über 40 potentiell getesteten Substanzen aus dem Sprengstoffbereich und strukturell verwandter Substanzen nur das 1,3,5-Trinitrobenzol und das 2,4,6-Trinitrotoluol (TNT) an. Die Färbung mit TNT kann selbst mit bloßem Auge an Realproben bei einer absoluten Analytkonzentration von < 500 ng wahrgenommen werden. Zur Empfindlichkeitssteigerung des Nachweises werden bevorzugt licht-optische Methoden (z. B. Evaneszenzfeldspektroskopie) eingesetzt.
Als Rezeptoren können Ketale des 2,3,6,7,10,11-Hexahydroxytriphenylens dienen, welche über geeignete Affinitätsgruppen verfügen. Vorzugsweise Wasserstoffbrückendonoren, wie z. B. Harnstoffe, Sulfonamide, etc... Die Affinitätsgruppen sind vorzugsweise auf eine Seite des Moleküls orientiert, dies wird durch „all-syn” ausgedrückt.
Im Folgenden wird exemplarisch die Beschichtung eines Wellenleiters (z. B. Lichtleiterkabel) mit einem für den TNT-Nachweis geeigneten Rezeptorfilm beschrieben: Zubereitung einer Beschichtungslösung: 170 mg des Menthyl-modifizierten Rezeptors (R) werden in 120 ml Dichlormethan bei Raumtemperatur gelöst. Die farblose Lösung wird jeweils mit 1,5 g Polyethylenglykol 600 (durchschnittliches Molekulargewicht 600, Fa. Alrich) und 0,7 g in kleine Stücke geschnittenes Polyepichlorhydrin (PECH, durchschnittliches Molekulargewicht 700.000, Fa. Alrich) versetzt. Der Quellvorgang benötigt bei Raumtemperatur ca. 18 h und kann mit Ultraschall auf die Hälfte verkürzt werden. Man erhält eine leicht viskose klare Flüssigkeit, welche über mehrere Monate haltbar ist.
Zunächst wird die Faser von Cladding und Coating befreit. Die optische Faser kann durch Eintauchen in obige Lösung und anschließendes Trocknen unter atmosphärischen Bedingungen beschichtet werden. Alternativ kann auch mittels eines weichen Pinsels die Beschichtungslösung direkt aufgetragen werden. Bei schlecht benetzbaren Fasern, wie z. B. Saphirmaterial muss der obigen Lösung noch ein Tensid (0,3 g Natriumdodecylsulfat) zugesetzt werden. Unter diesen Bedingungen beobachtet man einen zusammenhängen Film.
Bei der Verwendung von Polyethylenglykol als Fluid auf der Glasfaser, kann bei starker Verdünnung des Rezeptors dazukommen, dass die Einlagerung des aromatischen Analyten zu einer signifikanten Veränderung des Brechungsindexes führt. Eine resultierende Auskopplung des Lichtes überlagert dann den Evaneszenzfeld-Effekt und führt möglicherweise zu falsch-positiven Ergebnissen. Um das zu verhindern kann man möglichst wenig Polyethylenglykol verwenden, der den Sprengstoff Rist und gleichzeitig die Kristallisation des Rezeptors verhindert. Alternativ können die Rezeptormoleküle direkt kovalent angebunden werden. Das hätte darüber hinaus den Vorteil, dass die Beschichtung abriebfest ist und weniger Rezeptormaterial benötigt wird.
Dazu muss die Silikatoberfläche der Faser mit Standardmethoden (Aminosilanen) aktiviert werden und kann dann aber mit Rezeptoren umgesetzt werden, die z. B. via nucleophile Substitution kovalent auf die Oberfläche gebracht werden. Die Herstellung der entsprechenden Rezeptormoleküle ist nachfolgend gezeigt. Dabei wird das bekannte all-syn Triamin eingesetzt, das z. B. in folgenden Aufsätzen beschrieben ist: S. R. Waldvogel, R. Fröhlich, C. A. Schalley, Erster künstlicher Koffeinrezeptor – Ein neues Konzept zur Komplexierung alkylierter Oxopurine, Angew. Chem. 2000, 112, 2580–2583; M. C. Schopohl, A. Faust, D. Mirk, R. Fröhlich, O. Kataeva, S. R. Waldvogel, Synthesis of Rigid Receptors Based an Triphenylen Ketals, Eur. J. Org. Chem. 2005, 2987–2999; M. C. Schopohl, K. Bergander, O. Kataeva, R. Fröhlich, S. R. Waldvogel, Synthesis and Characterization of Enantiomerically Pure Menthylamines and their Isocyanates, Synthesis 2003, 2689–2694; M. C. Schopohl, C. Siering, O. Kataeva, S. R. Waldvogel, Reversible enantiofacial dicrimination of a single heterocyclic substrate by supramolecular receptors – a new concept for chiral induction, Angew. Chem. 2003, 115, 2723–2727.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung anhand der beigefügten Zeichnung. Dabei zeigt:
1 eine Strukturformel des molekularen Aufbaus eines TNT-sensitiven Rezeptors,
2 die Aktivierung der Silikatoberfläche mittels Aminopropylierung und nachfolgender Anknüpfung von Rezeptoren (X = Harnstoffeinheit),
3 schematisch die Synthese der Rezeptorstrukturen mit alkylierender Wirkung, zur kovalenten Anknüpfung an die Oberflächen,
4 ein Beispiel eines planaren Wellenleitersensorelementes mit Rezeptorfilm für den selektiven TNT-Nachweis und Mikrochiplaser (1064 und 532 nm) für den licht-optischen Nachweis,
5 Messkurven für den Licht-optischen Echtzeit TNT-Nachweis von einem Rezeptorfilm beschichteten Wellenleiterelement. (obere Messkurve: Referenz 1064 nm; untere Messkurve: Signal 532 nm),
6 ein Ausführungsbeispiel eines zylindrischen Wellenleitersensors mit senkrecht angeordneten ZnO-Nanodrähten,
7 ein Ausführungsbeispiel eines zylindrisch angeordneten Wellenleitersensors mit liegend angeordneten ZnO-Nanodrähten,
8 ein Ausführungsbeispiel eines planaren Wellenleitersensorelementes mit senkrecht angeordneten ZnO-Nanodrähten,
9 ein Ausführungsbeispiel eines planaren Wellenleitersensorelementes mit parallel angeordneten ZnO-Nanodrähten,
10 ein Ausführungsbeispiel eines nanostrukturierten Wellenleiterelementes mit im Wellenleiter integriertem Bragg-Gitter zur optimierten evaneszenten Wechselwirkung,
11 eine Ausführungsform eines nanostrukturierten Bragg-Gitter-Sensors durch systematische Anordnung von ZnO-Nanodrähten (aufrechte Struktur) und integriertem Wellenleiter für die Signalerfassung, und
12 eine Ausführungsform eines nanostrukturierten Bragg-Gitter-Sensors durch systematische Anordnung von ZnO-Nanodrähten (planare Struktur) und integriertem Wellenleiter für die Signalerfassung.
Licht-optischer Spurennachweis von TNT in Rezeptorfilmen
Wie in Abschnitt über Rezeptorschichten ausführlich beschrieben wurde, findet an den erfindungsgemäß beschriebenen Rezeptorfilmen eine hochselektive Akkumulation von z. B. TNT statt. Dieses führt zu einer Gewichtszunahme des Films, die nach Stand der Technik z. B. mit einer Mikrowaage (Schwingquarz) sehr empfindlich gemessen werden. Nachteilig an dieser Messmethode ist allerdings der Ausschluss von Umwelteinflüssen, z. B. Temperatur, Luftfeuchte etc...
Aus diesem Grund werden hier erfindungsgemäß licht-optische Nachweisverfahren beschrieben, die (1.) die Farbänderung und (2.) die Brechzahländerung für den empfindlichen Nachweis von Explosivstoffen in den Rezeptorfilmen ausnutzen.
Wird ein Wellenleiterelement nach der beschriebenen Methode mit dem Rezeptorfilm beschichtet, so erfolgt eine Wechselwirkung des im Wellenleiter geführten Lichtes mit dem Rezeptorfilm bzw. den im Film angereicherten Molekülen. Erfindungsgemäß wird hier nur die sog. evaneszente Wechselwirkung des im Wellenleiter geführten Lichtes für den Nachweis betrachtet. Wie oben beschrieben induziert die Anlagerung von TNT-Molekülen in dem Wellenleiter eine rote Farbänderung. Der Grad der Farbänderung ist von der Konzentration angelagerter TNT-Moleküle abhängig.
Wird nun z. B. Licht der Wellenlänge 532 nm durch den Wellenleiter geführt, so erfolgt aufgrund der evaneszenten Wechselwirkung mit dem Rezeptorfilm eine teilweise Schwächung des durch den Wellenleiter geführten Lichtes. Der Grad dieser Schwächung kann der angelagerten TNT-Konzentration zugeordnet werden.
Dieser einfache optische Nachweis ermöglicht den Spurennachweis von TNT bis in den ppt-Konzentrationsbereich und ist bei Spülen des Sensorelementes mit nicht-kontaminierter Raumluft reversibel.
Durch Umgebungseinflüsse induzierte Intensitätsänderungen des im Wellenleiter geführten Lichtes (z. B. Temperatur, Einkopplungsänderung) können vollständig eleminiert werden, wenn zusätzlich eine zweite Wellenlänge, die nicht auf die Farbänderung des Rezeptorfilmes reagiert und von derselben Lichtquelle emittiert wird, für den licht-optischen Nachweis eingesetzt wird. Besonders geeignet erscheint hierfür ein Nd:YAG-Mikrochiplaser, der gleichzeitig Laserstrahlung mit den Wellenlängen 1064 nm (Referenz) und 532 nm (Signal) Licht emittiert.
Besonders bemerkenswert ist hier der extrem schnelle Signalaufbau bei Wechselwirkung mit TNT-Molekülen sowie die Regeneration des Rezeptorfilmes bei Umspülen mit Raumluft. Dieses ist beispielhaft in den in 5 gezeigten Messkurven zu sehen.
Als Wellenleiterelemente können sowohl planare als auch zylindrische Wellenleiter (z. B. Lichtleitkabel) eingesetzt werden. Im Fall von Lichtleitkabeln muss vor der Beschichtung mit dem Rezeptorfilm sowohl der Mantel als auch das Cladding entfernt werden. Nur so ist eine evaneszente Wechselwirkung des geführten Lichtes mit dem Rezeptorfilm gewährleistet.
Diese kann weiter verbessert werden, wenn die aktive Sensorfläche, also z. B. derjenige Teil des Lichtleiters, der mit dem Rezeptor beschichtet ist, spiralförmig geformt ist. Anstelle dieser geometrischen Modifikation kann auch das Aufbringen von ZnO-Nanodrähten auf die Oberfläche von Vorteil sein. Ist der Durchmesser der ZnO-Drähte deutlich geringer als die geführte Lichtwellenlänge, so wird ein Großteil des Lichtes außen um den Draht herum geführt und somit besteht eine optimierte evaneszente Wechselwirkung.
Die 6 und 7 zeigen Ausführungsbeispiele zylindrischer Wellenleiter mit aufrecht und liegend angeordneten ZnO-Nanodrähten. Neben der verbesserten evaneszenten Wechselwirkung ist ebenfalls die Haftung der Rezeptorfilme bei Verwendung von ZnO deutlich verbessert im Gegensatz zu Glas oder Saphir. Ein weiterer Vorteil dieser Ausführungsbeispiele ist die deutlich vergrößerte Oberfläche durch Verwendung der Nanostrukturen im Vergleich zu einer konventionell nur mit Rezeptorfilm beschichteten Wellenleiteroberfläche.
Neben den zylindrischen Wellenleiterelementen sind insbesondere für viele Anwendungen Planare Wellenleiterelemente aufgrund der kompakten Bauform von besonderem Interesse. Bezogen auf den Stand der Technik muss aber hier die evaneszente Wechselwirkung des im Wellenleiter geführten Lichtes mit dem Rezeptorfilm optimiert werden, wenn eine technische Anwendung möglich sein soll. Hier eignen sich wiederum bevorzugt Nanostrukturen (z. B. ZnO-Nanodrähte) aber auch integrierte Bragg-Strukturen. Die folgenden Abbildungen zeigen wiederum mögliche Ausführungsformen derartiger Sensorkonzepte. Die in den 8 und 9 gezeigten Ausführungsformen werden mit dem Rezeptorfilm beschichtet und der TNT-Nachweis erfolgt wieder durch licht-optischen Nachweis des induzierten Farbwechsels bei TNT-Anlagerung.
Die in 10 dargestellte Ausführungsform zeigt ebenfalls ein planares Wellenleiterelement mit nanostrukturierter Oberfläche, jedoch wird hier der licht-optische Nachweis der TNT induzierten Farbänderung noch verstärkt, indem in das Wellenleiterelement ein Bragg-Gitter geschrieben wird, welches so abgestimmt ist, dass eine optimierte Einkopplung der 532 nm Laserstrahlung in den Rezeptorfilm erfolgt. Durch Rückreflexion des Laserlichtes von den Grenzflächen gelangt das Licht zum Detektor und bei entsprechender Farbänderung durch Anlagerung von TNT-Molekülen erfolgt eine Schwächung des 532 nm Lichtsignals im Gegensatz zu der 1064 nm Referenzstrahlung, die nicht von dem Rezeptorfilm absorbiert wird.
Zwei andere mögliche Ausführungsformen nanostrukturierter Wellenleitersensorelemente sind in den 11 und 12 dargestellt. In diesem Fall ist die Nanostruktur in Form eines Bragg Gitters ausgeführt. Die Gitterkonstante ist dabei genau der Wellenlänge der Lichtquelle angepasst in der Art, dass das eingekoppelte Licht bevorzugt vom Wellenleiterelement weggebeugt wird, wenn die mit dem Rezeptorfilm beschichtete Nanostruktur (z. B. aufrecht stehende Nanodrähte wie in 11) nicht mit dem nachzuweisenden TNT in Kontakt ist, d. h. das Sensorelement unkontaminiert ist. Wechselwirkt nun die strukturierte Sensoroberfläche mit TNT-Molekülen, werden diese in den Rezeptorfilm eingelagert, was zur Folge hat, dass sich der Brechungsindex des Films ändert.
Dieses hat zur Folge, dass sich gleichzeitig auch die Gitterkonstante des aufgebrachten Bragg-Gitters ändert und so bei geeigneter Einstellung Licht in den Wellenleiter eingekoppelt wird, das dann mit dem Detektor erfasst werden kann. Die Selektivität dieser Anordnung beruht auf dem speziellen Rezeptorfilm, der z. B. ausschliesslich TNT adsorbiert und die Empfindlichkeit beruht auf der Oberflächen Bragg Gitter Struktur auf der Basis einer Nanostruktur (z. B. aufrechte oder liegende ZnO-Nanodrähte), die eine besonders große Oberfläche erzeugt.
Auch bei dieser Ausführungsform bietet sich die optische Bestrahlung mit zwei verschiedenen Wellenlängen an, z. B. mit Hilfe eines Zwei-Farben Mikrochiplasers, um ein Mess- und ein Referenzsignal zur Reduzierung systematischer Fehler (z. B. Temperaturdriften) zu gewährleisten.
Damit ist die Vorrichtung zum licht-optischen Spurennachweis insbesondere nitro-aromatbasierter Explosivstoffe mit dem darauf selektiv adsorbierenden Rezeptorfilm auf einer optischen Oberfläche, z. B. einem planaren Wellenleiter oder einem zylindrischen Lichtleiter eingerichtet. Der Rezeptorfilm zeichnet sich dadurch aus, dass dieser bei Wechselwirkung mit den Analytmolekülen (z. B. TNT) eine Farbänderung induziert und/oder eine Änderung des Brechungsindex des Films hervorruft.
In das optische Element wird Licht mindestens einer Wellenlänge eingekoppelt, derart, dass eine evaneszente Wechselwirkung mit der Rezeptorfilmschicht stattfindet, wobei das optische Element wird mit einer Nanostruktur versehen wird, z. B. aus ZnO-Material, um die Oberfläche des Sensorelentes zu vergrößern. Auf ZnO lassen sich Rezeptorfilme besonders homogen aufbringen. Die Oberfläche des optischen Sensorelementes wird bevorzugt zuvor mit Aminosilanen zur Verbesserung der Haftung der Rezeptorfilme aktiviert und die Nanostruktur besteht bevorzugt aus ZnO-Nanodrähten, die mit einer dünnen Schicht des Rezeptorfilms versehen werden.
Die Signalerfassung erfolgt mit einem Photodetektor auf einer Seite des Wellenleiter-Sensorelementes.
Die Nanostrukturierung der Sensoroberfläche erfolgt in der Form eines Bragg Gitters derart, dass bei Adsorption von Analytmolekülen die aufgebrachte Lichtstrahlung in das Sensorelement gebeugt wird und mit Hilfe des Detektors messtechnisch erfasst wird. Dieses Messsignal wird nach geeigneter Kalibrierung in eine absolute Konzentration der Analytmoleküle gewandelt. Ein zweiter Referenzlichtstrahl ermöglicht das Ausschalten von systematischen Beeinflussungen des Messstrahls.
Die parallele Anordnung mehrerer derartiger Wellenleiter mit unterschiedlichen Rezeptorfilmen und Anregung mit Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen zu einem Sensorarray ermöglicht den simultanen Multispeziesnachweis.
Die Integration derartiger Sensoren ist möglich in Personenschleusen, bei Zugangskontrollen, mobilen Detektoren, vernetzte Sensorsystemen oder in robotischen Systemen zur automatisierten online und in situ Erfassung von Explosivstoffkontaminationen.

Claims

Vorrichtung zum licht-optischen Spurennachweis von Explosivstoffen mit einer Lichtquelle, optischen Sensoren, einem selektiv adsorbierenden Rezeptorfilm und einer optischen Oberfläche, die auf einem planaren oder zylindrischen Wellenleiter gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Oberfläche mit einer Nanostruktur aus ZnO-Nanodrähten in der Form eines Bragg-Gitters versehen ist, die Nanostruktur mit dem Rezeptorfilm belegt ist und der Rezeptorfilm supramolekularen Rezeptoren auf Triphenylenketalbasis aufweist.
Vorrichtung zum licht-optischen Spurennachweis von Explosivstoffen nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Bragg Gitter im Wellenleiter.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Oberfläche zur Verbesserung der Haftung des Rezeptorfilms mit Aminosilanen aktiviert ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine parallele Anordnung mehrerer Wellenleiter mit unterschiedlichen Rezeptorfilmen und Anregung mit Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen in einem Sensorarray zum simultanen Multispeziesnachweis.