DE102019131698A1 - System and method for the analysis of liquids - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein System (21) zur Analyse von Flüssigkeiten, aufweisend eine Lichtquelle (22), eine Leitungseinrichtung (1) zum Leiten von Licht und zum Führen einer Flüssigkeit, wobei die Leitungseinrichtung (1) einen Kanal (4) zum Führen der Flüssigkeit aufweist, und einen Detektor (29). Dabei ist vorgesehen, dass die Leitungseinrichtung (1) einen den Kanal (4) umgebenden Mantel (3) aufweist und wobei der Mantel (3) ein Aerogel aufweist.The invention relates to a system (21) for analyzing liquids, comprising a light source (22), a line device (1) for guiding light and for guiding a liquid, the line device (1) having a channel (4) for guiding the liquid and a detector (29). It is provided that the conduit device (1) has a jacket (3) surrounding the channel (4) and the jacket (3) has an airgel.

Description

Die Erfindung betrifft ein System zur Analyse von Flüssigkeiten. Sie betrifft ferner ein Verfahren zur Analyse von Flüssigkeiten, insbesondere mittels des erfindungsgemäßen Systems.The invention relates to a system for analyzing liquids. It also relates to a method for analyzing liquids, in particular by means of the system according to the invention.

Zur Untersuchung von Substanzen sind verschiedene spektroskopische Verfahren bekannt. Diese Verfahren sollten insbesondere eine qualitative oder quantitative Analyse der Substanzen ermöglichen. Gegenüber der spektroskopischen Analyse von ruhenden Substanzen ist die spektroskopische Analyse strömender Fluide, die im Folgenden auch als Fluidströme bezeichnet werden, mit Schwierigkeiten verbunden. Das betrifft insbesondere die spektroskopische Analyse strömender Fluide in Echtzeit. Eine Echtzeit-Analyse ist jedoch im Hinblick auf die Automatisierung und Überwachung flexibel fahrbarer Anlagen und Prozesse wünschenswert. Solche Anlagen und Prozesse sollen beispielsweise die zielgerichtete Herstellung von Produkten ermöglichen, deren Eigenschaften kundenspezifisch vorgegeben sind, deren Eigenschaften nicht von der sich verändernden Qualität der Ausgangsstoffe abhängen dürfen oder beides.Various spectroscopic methods are known for examining substances. In particular, these methods should enable a qualitative or quantitative analysis of the substances. Compared to the spectroscopic analysis of resting substances, the spectroscopic analysis of flowing fluids, which are also referred to below as fluid flows, is associated with difficulties. This applies in particular to the spectroscopic analysis of flowing fluids in real time. However, real-time analysis is desirable with regard to the automation and monitoring of flexibly mobile systems and processes. Such systems and processes should, for example, enable the targeted manufacture of products whose properties are specified in a customer-specific manner, whose properties must not depend on the changing quality of the starting materials, or both.

Zur Echtzeit-Analytik von flüssigen Stoffströmen scheiden in der Verfahrenstechnik Verfahren wie Chromatographie (C), Absorptionsspektroskopie (insbesondere Infrarot-Spektroskopie (IR-Spektroskopie), Ultraviolett-Spektroskopie (UV-Spektroskopie), Spektroskopie mit elektromagnetischen Wellen des sichtbar Lichts (VIS)) oder die Kernspinresonanztechnik (NMR) entweder aufgrund erforderlicher Probenvorbereitung (C, IR, UV, VIS), langer Messzeiten oder der Notwendigkeit der Bereitstellung von komplexem Messequipment direkt an der Messstelle (NMR, C) aus (K.A. Bakeev, Process analytical technology: spectroscopic tools and implementation strategies for the chemical and pharmaceutical industries, John Wiley & Sons, 2010). Messverfahren, die ohne Probenvorbereitung auskommen, ein gutes zeitliches Auflösungsvermögen (bis 1 Hz) bieten und bei denen das Messequipment wie Laser und Spektrometer nicht direkt an der Messstelle verortet sein muss, sondern durch konventionelle Lichtleiter mit der Messstelle über weite Distanzen (beispielsweise hunderte Meter) verbunden sein kann, sind die Nah-Infrarot(NIR)-Absorptionsspektroskopie und die Ramanspektroskopie (RS) ( A. Braeuer, In situ spectroscopic techniques at high pressure, Ist ed., Elsevier, Amsterdam, 2015 ). Im Gegensatz zur NIR ist bei der Ramanspektroskopie die Kalibrierfunktion (Ramanspektrum gegen Gemischzusammensetzung) beziehungsweise das Auswertemodel weitestgehend unabhängig von Druck und Temperatur, so dass die Ramanspektroskopie einen erheblich geringeren Kalibrier- beziehungsweise Auswerteaufwand bedeutet ( C. Blesinger, P. Beumers, F. Buttler, C. Pauls, A. Bardow, Temperature-Dependent Diffusion Coefficients from 1 D Raman Spectroscopy, Journal of Solution Chemistry, 43 (2014) 144-157 ).Process engineering uses methods such as chromatography (C), absorption spectroscopy (in particular infrared spectroscopy (IR spectroscopy), ultraviolet spectroscopy (UV spectroscopy), spectroscopy with electromagnetic waves of visible light (VIS)) to analyze liquid material flows in real time. or nuclear magnetic resonance technology (NMR) either due to the necessary sample preparation (C, IR, UV, VIS), long measuring times or the need to provide complex measuring equipment directly at the measuring point (NMR, C) from (KA Bakeev, Process analytical technology: spectroscopic tools and implementation strategies for the chemical and pharmaceutical industries, John Wiley & Sons, 2010). Measurement methods that do not require sample preparation, offer good temporal resolution (up to 1 Hz) and in which the measurement equipment such as lasers and spectrometers do not have to be located directly at the measuring point, but using conventional light guides with the measuring point over long distances (e.g. hundreds of meters) near infrared (NIR) absorption spectroscopy and Raman spectroscopy (RS) ( A. Braeuer, In situ spectroscopic techniques at high pressure, Ist ed., Elsevier, Amsterdam, 2015 ). In contrast to NIR, in Raman spectroscopy the calibration function (Raman spectrum versus mixture composition) or the evaluation model is largely independent of pressure and temperature, so that Raman spectroscopy means a considerably lower calibration or evaluation effort ( C. Blesinger, P. Beumers, F. Buttler, C. Pauls, A. Bardow, Temperature-Dependent Diffusion Coefficients from 1 D Raman Spectroscopy, Journal of Solution Chemistry, 43 (2014) 144-157 ).

Im Vergleich zu anderen Messverfahren zur Echtzeit-Untersuchung der Zusammensetzung von Fluidströmen hat die Raman-Spektroskopie (RS) Vorteile wie deren Einsetzbarkeit bei Anwesenheit von Wasser oder Alkoholen in Gemischen, die Wählbarkeit der Anregungswellenlänge und die quantitative Erfassbarkeit fast aller Gemischkomponenten bei minimalem Kalibrieraufwand. Grund für den bisher spärlichen Einsatz der Raman-Spektroskopie sind die geringen Ramanstreuquerschnitte, der zu intensitätsschwachen Ramanspektren führt. Aus diesem Grund werden für die Detektion gut auswertbarer Ramanspektren relativ hohe Anregungsleistungen von größer 10 mW benötigt. Bei Abtastraten von 1 Hz werden Anregungsleistungen von bis zu 100 mW benötigt. Die Erhöhung der Anregungsenergie kann jedoch wegen einer maximal möglichen Leistung von Strahlquellen, der möglichen Schädigung von Stoffen oder Messtechnikequipment oder Beschränkungen wegen des Explosionsschutzes nicht in unbeschränktem Maße erfolgen.Compared to other measurement methods for real-time investigation of the composition of fluid flows, Raman spectroscopy (RS) has advantages such as its usability in the presence of water or alcohols in mixtures, the selection of the excitation wavelength and the quantitative detection of almost all mixture components with minimal calibration effort. The reason for the so far sparse use of Raman spectroscopy is the small Raman scattering cross-sections, which lead to low-intensity Raman spectra. For this reason, relatively high excitation powers of greater than 10 mW are required for the detection of easily evaluable Raman spectra. At sampling rates of 1 Hz, excitation powers of up to 100 mW are required. The increase in the excitation energy cannot, however, take place to an unlimited extent because of the maximum possible power of radiation sources, the possible damage to substances or measurement technology equipment or restrictions due to explosion protection.

Eine Verringerung der erforderlichen Anregungsleistung erfordert jedoch effizientere Raman-Spektrometer. Raman-Spektrometer, die eine geringere Anregungsleistung erfordern, könnten den Einsatz der Raman-Spektroskopie auch unterhalb einer Bestrahlungsstärke von 5 mW/mm2 in explosionsgefährdeten Zonen bei Abtastraten von 1 Hz ermöglichen. Eine kontinuierliche Bestrahlungsstärke von 5 mW/mm2 ist der zulässige Grenzwert der Bestrahlungsstärke in explosionsgefährdeten Zonen gemäß den ATEX-Richtlinien der Europäischen Union. Außerdem kann eine Verringerung der Anregungsleistung mit einer Verringerung der Herstellungskosten von Raman-Spektrometern verbunden sein.However, a reduction in the required excitation power requires more efficient Raman spectrometers. Raman spectrometers, which require a lower excitation power, could also enable the use of Raman spectroscopy below an irradiance of 5 mW / mm 2 in potentially explosive zones at sampling rates of 1 Hz. A continuous irradiance of 5 mW / mm 2 is the permissible limit value of the irradiance in potentially explosive zones according to the ATEX guidelines of the European Union. In addition, a reduction in the excitation power can be associated with a reduction in the manufacturing costs of Raman spectrometers.

Bisher sind folgende Verfahren zur Signalverstärkung, die nicht auf einer Steigerung der Anregungsleistung beruhen, bekannt. Diese Verfahren sind jedoch mit Nachteilen verbunden:

  • - Die Resonante Raman-Spektroskopie ermöglicht eine (nah)-resonante Anregung einer Spezies in einem Gemisch. Die Zusammensetzung des Gemisches ist allerdings nicht quantifizierbar.
  • - Die Cavity-enhanced-Spektroskopie sieht eine Verstärkung des elektrischen Feldes der Anregungsstrahlung in einem Resonator vor. Dieses Verfahren ist allerdings nicht in verfahrenstechnischen Anlagen realisierbar.
  • - Die Multipass-Spektroskopie verwendet einen Anregungslaser, der durch Spiegel oder Prismen mehrmals durch das Messvolumen geführt wird. Änderungen der Zusammensetzung, des Drucks oder der Temperatur verändern allerdings den Brechungsindex und verstellen den Strahlengang. Dieses Verfahren ist somit nicht in verfahrenstechnischen Anlagen realisierbar.
  • - Die Surface-enhanced-Ramanspektroskopie sieht eine Verstärkung des Anregungsfeldes durch plasmonische Effekte an metallischen Nanopartikeln vor. Das Ramanspektrum ist allerdings nicht repräsentativ für die Zusammensetzung des gesamten Flüssigkeitsgemisches. Das Verfahren ist anfällig gegen Verunreinigungen und Fouling. Es ist damit nicht für industrielle Flüssigkeitsströme einsetzbar.
  • - Photonische Kristallfasern (engl: photonic crystall fibers), die hohl sind und/oder eine Kagome-Struktur aufweisen, bewirken eine Verstärkung des Ramaneffektes durch Verlängerung des Messvolumens in der photonischen Kristallfaser und den stimulierten Ramaneffekt. Die Kanaldurchmesser sind allerdings extrem klein (< 100 µm), so dass Hohlkanäle schnell zugesetzt werden. Das Verfahren ist somit nicht für industrielle Flüssigkeitsströme einsetzbar.
  • - Verspiegelte Hohlfasern ermöglichen die Verstärkung des Ramaneffektes durch Verlängerung des Messvolumens in der verspiegelten Hohlfaser. Die Verspiegelung interferiert allerdings mit dem Ramanspektrum und wird durch Verschmutzung und Fouling wirkungslos. Das Verfahren ist damit nicht für industrielle Flüssigkeitsströme einsetzbar.
The following methods for signal amplification, which are not based on an increase in the excitation power, have been known so far. However, these methods have disadvantages:
  • - The resonant Raman spectroscopy enables a (near) -resonant excitation of a species in a mixture. However, the composition of the mixture cannot be quantified.
  • - The cavity-enhanced spectroscopy provides for an amplification of the electric field of the excitation radiation in a resonator. However, this method cannot be implemented in process engineering systems.
  • - Multipass spectroscopy uses an excitation laser that is guided through the measuring volume several times by mirrors or prisms. Changes in composition, des However, pressure or temperature change the refractive index and adjust the beam path. This method cannot therefore be implemented in process engineering systems.
  • - Surface-enhanced Raman spectroscopy provides for the excitation field to be strengthened by plasmonic effects on metallic nanoparticles. However, the Raman spectrum is not representative of the composition of the entire liquid mixture. The process is prone to contamination and fouling. It cannot therefore be used for industrial liquid flows.
  • - Photonic crystal fibers, which are hollow and / or have a Kagome structure, bring about an amplification of the Raman effect by lengthening the measurement volume in the photonic crystal fiber and the stimulated Raman effect. However, the channel diameters are extremely small (<100 µm), so that hollow channels are quickly clogged. The method can therefore not be used for industrial liquid flows.
  • - Mirrored hollow fibers enable the Raman effect to be strengthened by extending the measurement volume in the mirrored hollow fiber. The mirror coating, however, interferes with the Raman spectrum and becomes ineffective due to contamination and fouling. The process cannot therefore be used for industrial liquid flows.

Aus WO 2009/128995 A1 ist ein Analysesystem zur spektroskopischen Analyse von Gasen bekannt. Das System weist eine photonische Kristallfaser auf, die optisch mit einem Laser und einem Photomultiplier gekoppelt ist. Die Kristallfaser besitzt einen hohlen Kern, der von einem Mantel („cladding“) und einer Schutzbeschichtung umgeben ist. Mittels eines Einlasses wird das Gas in die Kristallfaser geführt, mittels eines Auslasses kann das Gas die Kristallfaser verlassen. Der Kern der Kristallfaser soll Interaktionen zwischen dem Gas und dem Laserstrahl ermöglichen. Die Kristallfaser soll einen langen optischen Pfad bereitstellen, was eine Beschränkung isotropischer Raman-Photonen auf eine zweidimensionale Struktur ermöglichen soll. Dazu soll eine effizientere Signalsammlung erreicht werden.Out WO 2009/128995 A1 an analysis system for the spectroscopic analysis of gases is known. The system includes a photonic crystal fiber that is optically coupled to a laser and a photomultiplier. The crystal fiber has a hollow core that is surrounded by a cladding and a protective coating. The gas is fed into the crystal fiber by means of an inlet, and the gas can leave the crystal fiber by means of an outlet. The core of the crystal fiber should enable interactions between the gas and the laser beam. The crystal fiber should provide a long optical path, which should allow isotropic Raman photons to be restricted to a two-dimensional structure. For this purpose, more efficient signal collection is to be achieved.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile nach dem Stand der Technik zu beseitigen. Es soll insbesondere ein System zur spektroskopischen Analyse von Flüssigkeiten angegeben werden, das geringere Anregungsleistungen erfordert. Sie betrifft ferner ein Verfahren zur spektroskopischen Untersuchung von Flüssigkeiten, insbesondere mittels des erfindungsgemäßen Systems.The object of the invention is to eliminate the disadvantages of the prior art. In particular, a system for the spectroscopic analysis of liquids is to be specified which requires lower excitation powers. It also relates to a method for the spectroscopic examination of liquids, in particular by means of the system according to the invention.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1, 13 und 15 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindungen ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche.This object is achieved by the features of claims 1, 13 and 15. Appropriate configurations of the inventions result from the features of the subclaims.

Nach Maßgabe der Erfindung ist ein System zur Analyse von Flüssigkeiten vorgesehen, das eine Lichtquelle, eine Leitungseinrichtung zum Leiten von Licht und zum Führen einer Flüssigkeit, wobei die Leitungseinrichtung einen Kanal zum Führen der Flüssigkeit aufweist, und einen Detektor aufweist. Die Leitungseinrichtung weist einen den Kanal umgebenden Mantel auf. Der Mantel weist ein Aerogel auf.According to the invention, a system for analyzing liquids is provided which has a light source, a line device for guiding light and for guiding a liquid, the line device having a channel for guiding the liquid, and a detector. The conduit device has a jacket surrounding the channel. The jacket has an airgel.

Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass an der Grenzfläche zwischen einer Flüssigkeit, die in den Kanal geführt wird, und dem Mantel aus dem Aerogel eine Totalreflexion des Lichtes stattfindet, das als Anregungslicht in die Leitungseinrichtung eingeleitet wird. Die Totalreflexion führt zu einer Lichtleitung in der Leitungseinrichtung. Diese Lichtleitung kann zur Analyse der Flüssigkeit genutzt werden, die sich in dem Kanal befindet. Wird die Flüssigkeit mittels der Raman-Spektroskope analysiert, so wird eine Effizienzsteigerung um mindestens Faktor 20 erreicht, weil eine Vervielfachung des Messvolumens erreicht wird, indem die zu analysierende Flüssigkeit in den Kanal geführt wird und Licht in den mit der Flüssigkeit gefüllten Kanal eingeleitet wird. Zur Effizienzsteigerung trägt weiterhin die stimulierte Raman-Streuung bei, die sich wegen des langen Überlagerungsbereichs von Anregungsstrahlung und Signalstrahlung ausbildet. Im Vergleich zu einem Lichtwellenleiter wirkt der Mantel, der das Aerogel aufweist, als Cladding, während der Kanal, in dem sich die zu analysierende Flüssigkeit befindet, also Kern wirkt. Im Kanal der Leitungseinrichtung werden sowohl die Flüssigkeit und Licht in Form von Lichtwellen geleitet. Aufgrund der Totalreflexion an der Grenzfläche werden im Gegensatz zum Stand der Technik keine störenden Signale von einer reflektierenden Beschichtung erhalten.The invention is based on the knowledge that a total reflection of the light which is introduced as excitation light into the conduit device takes place at the interface between a liquid which is fed into the channel and the jacket of the airgel. The total reflection leads to a light guide in the line device. This light guide can be used to analyze the liquid that is in the channel. If the liquid is analyzed by means of the Raman spectroscope, an increase in efficiency of at least a factor of 20 is achieved because the measurement volume is multiplied by guiding the liquid to be analyzed into the channel and introducing light into the channel filled with the liquid. The stimulated Raman scattering, which forms because of the long overlapping area of excitation radiation and signal radiation, also contributes to the increase in efficiency. Compared to an optical waveguide, the cladding that contains the airgel acts as a cladding, while the channel in which the liquid to be analyzed is located acts as a core. In the channel of the line device, both the liquid and light are conducted in the form of light waves. Due to the total reflection at the interface, in contrast to the prior art, no interfering signals are received from a reflective coating.

Mittels der Leitungseinrichtung kann eine Signalverstärkung erreicht werden. Damit können bisherige Beschränkungen der Ramanspektroskopie überwunden werden. Die Leitungseinrichtung kann anstelle einer Küvette in herkömmlichen Raman-Spektrometern eingesetzt werden. Aufgrund der Verwendung der Leitungseinrichtung ist das Raman-Spektrometer robuster gegen Verunreinigungen. Die Signalverstärkung ermöglicht die Verwendung eines solchen Spektrometers auch für explosionsgefährdete Bereiche. Die Erfindung vermeidet insbesondere die Nachteile, die mit den photonischen Kristallfasern und den verspiegelten Hohlfasern verbunden sind, verlängert aber wie diese das Messvolumen.Signal amplification can be achieved by means of the line device. In this way, previous limitations of Raman spectroscopy can be overcome. The line device can be used instead of a cuvette in conventional Raman spectrometers. Due to the use of the line device, the Raman spectrometer is more robust against contamination. The signal amplification enables the use of such a spectrometer also for potentially explosive areas. The invention in particular avoids the disadvantages associated with the photonic crystal fibers and the mirrored hollow fibers, but like these, it extends the measurement volume.

Ein Aerogel ist ein poröser Festkörper. Das Aerogel kann aus einem Material wie einem Siliciumdioxid, beispielsweise einem Silicatbestehen. Das Volumen des Aerogels wird zum überwiegenden Teil von Poren gebildet. Typischerweise können bis zu 99,98 Vol.-% des Aerogels Poren sein, wobei der Rest des Volumens von dem Material eingenommen wird, das das Aerogel bildet. In einem Beispiel besteht der poröse Festkörper zu etwa 99,8 Vol.-% aus Poren, wobei der Rest des Volumens von dem Material eingenommen wird, das das Aerogel bildet. Das sind in diesem Beispiel ca. 0,2 Vol.-%, mit der Maßgabe, dass Poren und Material gemeinsam 100 Vol.-% bilden. Vorzugsweise weist das Aerogel Mikro- und/oder Mesoporen auf. Ein beispielhaftes Aerogel ist ein mesoporöses Aerogel, wenn die Durchmesser der Poren zwischen 20 und 50nm liegen. Vorzugsweise ist das Aerogel transparent. Ein bevorzugtes transparentes Aerogel ist ein Aerogel auf Basis von Siliciumdioxid. Verfahren zur Herstellung und Trocknung von Aerogelen sind beispielsweise aus J. Quifio, M. Ruehl, T. Klima, F. Ruiz, S. Will, A. Braeuer, Supercritical drying of aerogel: In situ analysis of concentration profiles inside the gel and derivation of the effective binary diffusion coefficient using Raman spectroscopy, The Journal of Supercritical Fluids, 108 (2016) 1-12 , und I . Selmer, A.-S. Behnecke, J. Quifio, A.S. Braeuer, P. Gurikov, I. Smirnova, Model development for sc-drying kinetics of aerogels: Part 1. Monoliths and single particles, The Journal of Supercritical Fluids, 140 (2018) 415-430 , bekannt.An airgel is a porous solid. The airgel can be made from a material such as a Silica, for example a silicate. Most of the volume of the airgel is made up of pores. Typically, up to 99.98% by volume of the airgel can be pores, with the remainder of the volume being occupied by the material that makes up the airgel. In one example, the porous solid consists of about 99.8% by volume of pores, with the remainder of the volume being taken up by the material that forms the airgel. In this example, this is approx. 0.2% by volume, with the proviso that the pores and material together form 100% by volume. The airgel preferably has micro- and / or mesopores. An exemplary airgel is a mesoporous airgel if the diameter of the pores is between 20 and 50 nm. The airgel is preferably transparent. A preferred transparent airgel is a silicon dioxide-based airgel. Processes for the production and drying of aerogels are, for example, from J. Quifio, M. Ruehl, T. Klima, F. Ruiz, S. Will, A. Braeuer, Supercritical drying of airogel: In situ analysis of concentration profiles inside the gel and derivation of the effective binary diffusion coefficient using Raman spectroscopy, The Journal of Supercritical Fluids, 108 (2016) 1-12 , and I. . Selmer, A.-S. Behnecke, J. Quifio, AS Braeuer, P. Gurikov, I. Smirnova, Model development for sc-drying kinetics of aerogels: Part 1. Monoliths and single particles, The Journal of Supercritical Fluids, 140 (2018) 415-430 , known.

Aufgrund ihrer Struktur gehören Aerogele zu den Feststoffen mit der geringsten Dichte und der geringsten Wärmeleitfähigkeit. Außerdem gehören Aerogele zu den Feststoffen mit dem geringsten Brechungsindex. Vorzugsweise liegt der Brechungsindex des Aerogels unter 1,2, stärker bevorzugt unter 1,1 und besonders bevorzugt in einem Bereich von 1,01 bis 1,07. In einem Beispiel beträgt der Brechungsindex etwa 1,05. Der Brechungsindex des Aerogels muss geringer als der Brechungsindex der Flüssigkeit sein, die in den Kanal geführt wird. Beispielsweise beträgt der Brechungsindex von Wasser 1,3.Due to their structure, aerogels are among the solids with the lowest density and the lowest thermal conductivity. In addition, aerogels are among the solids with the lowest refractive index. The refractive index of the airgel is preferably below 1.2, more preferably below 1.1 and particularly preferably in a range from 1.01 to 1.07. In one example, the index of refraction is about 1.05. The refractive index of the airgel must be less than the refractive index of the liquid that is fed into the channel. For example, the refractive index of water is 1.3.

Das Aerogel kann ein hydrophobes oder ein hydrophiles Aerogel sein. Handelt es sich bei der zu analysierenden Flüssigkeit um eine polare Flüssigkeit, wie beispielsweise Wasser oder wässerige Lösung, ist das Aerogel zweckmäßigerweise ein hydrophobes Aerogel. Handelt es sich bei der zu analysierenden Flüssigkeit um eine unpolare Flüssigkeit, so ist das Aerogel zweckmäßigerweise ein hydrophiles Aerogel.The airgel can be a hydrophobic or a hydrophilic airgel. If the liquid to be analyzed is a polar liquid, such as, for example, water or an aqueous solution, the airgel is expediently a hydrophobic airgel. If the liquid to be analyzed is a non-polar liquid, the airgel is expediently a hydrophilic airgel.

In einer bevorzugten Ausführungsform besteht das Aerogel aus Siliciumdioxid. Ein Aerogel aus Siliciumdioxid weist ein Silicat-Gerüst auf. Eine solches Aerogel wird auch als Silicat-Aerogel bezeichnet. Das Aerogel kann ein hydrophobes oder ein hydrophiles Aerogel sein. Handelt es sich bei der zu analysierenden Flüssigkeit um eine wässerige Flüssigkeit, beispielsweise Wasser oder ein wasserhaltiges Gemisch, ist das Aerogel vorzugsweise ein hydrophobes Aerogel. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass das Wasser oder ein wasserhaltiges Gemisch die Wandung des Kanals, die von dem Mantel gebildet ist, berührt. Außerdem bleibt das Wasser oder ein wasserhaltiges Gemisch in dem Kanal gefangen. Auf diese Weise wird außerdem die Langzeitstabilität der Leitungseinrichtung erhöht, wie in anderem Zusammenhang in J.K. Oh, K. Perez, N. Kohli, V. Kara, J. Li, Y. Min, A. Castillo, M. Taylor, A. Jayaraman, L. Cisneros-Zevallos, Hydrophobically-modified silica aerogels: novel food-contact surfaces with bacterial anti-adhesion properties, Food Control, 52 (2015) 132-141 , und J.K. Oh, N. Kohli, Y. Zhang, Y. Min, A. Jayaraman, L. Cisneros-Zevallos, M. Akbulut, Nanoparaus aerogel as a bacteria repelling hygienic material for healthcare environment, Nanotechnology, 27 (2016) 085705 , gezeigt wurde.In a preferred embodiment, the airgel consists of silicon dioxide. An airgel made from silicon dioxide has a silicate framework. Such an airgel is also referred to as a silicate airgel. The airgel can be a hydrophobic or a hydrophilic airgel. If the liquid to be analyzed is an aqueous liquid, for example water or a water-containing mixture, the airgel is preferably a hydrophobic airgel. In this way it can be prevented that the water or a water-containing mixture touches the wall of the channel, which is formed by the jacket. In addition, the water or a water-containing mixture remains trapped in the channel. In this way, the long-term stability of the line device is also increased, as in another context in FIG JK Oh, K. Perez, N. Kohli, V. Kara, J. Li, Y. Min, A. Castillo, M. Taylor, A. Jayaraman, L. Cisneros-Zevallos, Hydrophobically-modified silica aerogels: novel food- contact surfaces with bacterial anti-adhesion properties, Food Control, 52 (2015) 132-141 , and JK Oh, N. Kohli, Y. Zhang, Y. Min, A. Jayaraman, L. Cisneros-Zevallos, M. Akbulut, Nanoparaus airogel as a bacteria repelling hygienic material for healthcare environment, Nanotechnology, 27 (2016) 085705 , was shown.

Der mit Flüssigkeit gefüllte Kanal der Leitungseinrichtung kann aufgrund der in ihm stattfindenden, d. h. internen, Totalreflexion als Lichtleiter dienen. Die Flüssigkeit verbleibt in dem vom Mantel umgebenen Kanal und dringt nicht in die Aerogelmatrix ein. Weitere Einzelheiten hierzu werden in G. Eris, D. Sanli, Z. Ulker, S.E. Bozbag, A. Jonas, A. Kiraz, C. Erkey, Three-dimensional optofluidic waveguides in hydrophobic silica aerogels via supercritical fluid processing, The Journal of Supercritical Fluids, 73 (2013) 28-33 , L. Xiao, T.A. Birks, Optofluidic microchannels in aerogel, Optics Letters, 36 (2011) 3275-3277 , B. Yalizay, Y. Morova, K. Dincer, Y. Ozbakir, A. Jonas, C. Erkey, A. Kiraz, S. Akturk, Versatile liquid-core optofluidic waveguides fabricated in hydrophobic silica aerogels by femtosecond-laser ablation, Optical Materials, 47 (2015) 478-483, und Y. Özbakrr, A. Jonas, A. Kiraz, C. Erkey, Aerogels for optofluidic waveguides, Micromachines, 8 (2017) 98 , beschrieben.The liquid-filled channel of the line device can serve as a light guide due to the total reflection taking place in it, ie internal total reflection. The liquid remains in the channel surrounded by the jacket and does not penetrate the airgel matrix. Further details are given in G. Eris, D. Sanli, Z. Ulker, SE Bozbag, A. Jonas, A. Kiraz, C. Erkey, Three-dimensional optofluidic waveguides in hydrophobic silica aerogels via supercritical fluid processing, The Journal of Supercritical Fluids, 73 (2013 ) 28-33 , L. Xiao, TA Birks, Optofluidic microchannels in airgel, Optics Letters, 36 (2011) 3275-3277 , B. Yalizay, Y. Morova, K. Dincer, Y. Ozbakir, A. Jonas, C. Erkey, A. Kiraz, S. Akturk, Versatile liquid-core optofluidic waveguides fabricated in hydrophobic silica aerogels by femtosecond-laser ablation, Optical Materials, 47 (2015) 478-483, and Y. Özbakrr, A. Jonas, A. Kiraz, C. Erkey, Aerogels for optofluidic waveguides, Micromachines, 8 (2017) 98 described.

Es kann vorgesehen sein, dass der Mantel der Leitungseinrichtung aus dem Aerogel besteht. Der Mantel umgibt den Kanal, in den die zu analysierende Flüssigkeit eingebracht wird. Die Flüssigkeit kann durch den Kanal geführt werden. Ist der Kanal von einem Mantel aus einem Aerogel umgeben, kann die Leitungseinrichtung gleichzeitig als Leiter für wässrige Flüssigkeiten und als Lichtleiter agieren, wobei Flüssigkeit und Licht zusammen in den Kanal eingeleitet werden. Auf diese Weise kann eine Optofluidik realisiert werden.It can be provided that the jacket of the conduit device consists of the airgel. The jacket surrounds the channel into which the liquid to be analyzed is introduced. The liquid can be passed through the channel. If the channel is surrounded by a jacket made of an airgel, the conduit device can act simultaneously as a conductor for aqueous liquids and as a light guide, with liquid and light being introduced into the channel together. In this way, optofluidics can be implemented.

Vorzugsweise hat der Kanal einen runden oder annähernd runden Querschnitt. Der Ausdruck „annähernd rund“ bedeutet, dass der Querschnitt keine idealgeometrische Gestalt aufweisen muss, sondern von der idealgeometrischen Gestalt abweichen kann. Weist der Kanal einen runden oder annähernd runden Querschnitt auf, so ist der Kanal zylinderförmig ausgebildet. Es ist bevorzugt, dass der Kanal einen Durchmesser aufweist, der 0,5 mm oder größer ist. Der Durchmesser sollte nicht kleiner als 0,5 mm sein, um eine Verblockung des Kanals zu verhindern, wenn eine partikelhaltige Flüssigkeit in den Kanal geführt wird. Abgesehen davon ist der Durchmesser des Kanals nicht beschränkt. Der Kanal weist bevorzugt einen Durchmesser auf, der in einem Bereich von 0,5 bis 5 mm, stärker bevorzugt 0,5 bis 3 mm, noch stärker bevorzugt 1,5 bis 2,5 mm und besonders bevorzugt bei 2 mm liegt.The channel preferably has a round or approximately round cross section. The expression “approximately round” means that the cross-section does not have to have an ideal geometric shape, but can deviate from the ideal geometric shape. If the channel has a round or approximately round cross-section, then the channel is formed cylindrically. It is preferred that the channel has a diameter that is 0.5 mm or greater. The diameter should not be smaller than 0.5 mm in order to prevent the channel from becoming blocked when a particle-containing liquid is fed into the channel. Apart from that, the diameter of the channel is not limited. The channel preferably has a diameter which is in a range from 0.5 to 5 mm, more preferably 0.5 to 3 mm, even more preferably 1.5 to 2.5 mm and particularly preferably 2 mm.

Der Kanal kann eine beliebige Länge aufweisen. Je länger der Kanal ist, desto größer ist das Messvolumen des erfindungsgemäßen Systems. Der Kanal ist vorzugsweise über seine gesamte Länge von dem Aerogel umgeben, abgesehen von einem optionalen Einlass für die Flüssigkeit und/oder einem optionalen Auslass für die Flüssigkeit, die jeweils in der Mantelfläche des Kanals ausgebildet sein können.The channel can be of any length. The longer the channel, the larger the measurement volume of the system according to the invention. The channel is preferably surrounded by the airgel over its entire length, apart from an optional inlet for the liquid and / or an optional outlet for the liquid, which can each be formed in the outer surface of the channel.

Es kann vorgesehen sein, dass der Kanal keine Krümmung aufweist. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass der Kanal zumindest einen gekrümmten Abschnitt aufweist. In einer Ausführungsform weist der Kanal zumindest einen spiralförmigen Abschnitt auf. Eine spiralförmige Ausbildung des Kanals oder zumindest eines Abschnitts des Kanals verringert den Raumbedarf des Kanals.It can be provided that the channel has no curvature. However, it can also be provided that the channel has at least one curved section. In one embodiment, the channel has at least one spiral section. A spiral design of the channel or at least a section of the channel reduces the space required by the channel.

Der Mantel sollte eine Stärke aufweisen, die größer, vorzugsweise wesentlich größer als die Wellenlänge des Lichtes ist, das in die Leitungseinrichtung eingeleitet wird. Vorzugsweise beträgt die Stärke des Mantels zumindest das Zehnfache, stärker bevorzugt das 50fache und besonders bevorzugt das 100fache der Wellenlänge des Lichtes, das in die Leitungseinrichtung eingeleitet wird.The cladding should have a thickness which is greater, preferably substantially greater than the wavelength of the light which is introduced into the conduction device. The thickness of the jacket is preferably at least ten times, more preferably 50 times and particularly preferably 100 times the wavelength of the light which is introduced into the conduction device.

Der Ausdruck „Führen einer Flüssigkeit in dem Kanal“ kann sowohl das Führen der Flüssigkeit durch den Kanal als auch das Führen der Flüssigkeit in dem Kanal bezeichnen. Beispielsweise kann die Flüssigkeit kontinuierlich durch den Kanal geführt werden oder in den Kanal eingeleitet werden, dort für einen Zeitraum verblieben und anschließend aus dem Kanal herausgeleitet werden. Der Zeitraum kann ein beliebiger Zeitraum sein. In diesem Zeitraum kann Schritt (b) des nachstehend geschilderten erfindungsgemäßen Verfahrens oder können die Schritte (b) und (c) dieses Verfahrens durchgeführt werden. Die Erfindung ermöglicht die Analyse von Flüssigkeiten, und zwar sowohl von strömenden als auch von ruhenden Fluiden.The expression “guiding a liquid in the channel” can denote both guiding the liquid through the channel and guiding the liquid in the channel. For example, the liquid can be fed continuously through the channel or introduced into the channel, remain there for a period of time and then be passed out of the channel. The period can be any period. During this period, step (b) of the process according to the invention described below or steps (b) and (c) of this process can be carried out. The invention enables the analysis of liquids, both flowing and stationary fluids.

In einer Ausführungsform weist die Leitungseinrichtung ein Rohr auf, in dem sich der Kanal und der Mantel befinden. Dabei kann die Innenseite des Rohres mit dem Aerogel unter Ausbildung des Mantels, der den Kanal umgibt, beschichtet sein. Vorzugsweise ist das Rohr biegsam. Mittels eines biegsamen Rohres, dessen Innenseite mit einem Aerogel beschichtet ist, kann für jede Kanalgeometrie auch der minimale Biegeradius bestimmt werden, bei dem die Voraussetzung für eine totale interne Totalreflexion nicht mehr gegeben ist. Das Rohr kann beispielsweise aus einem Metall, einer Legierung oder einem Kunststoff bestehen. Vorzugsweise ist das Rohr ein Kunststoffrohr. Ein Beispiel eines Rohres aus einer Legierung ist ein Stahlrohr.In one embodiment, the conduit device has a tube in which the channel and the jacket are located. The inside of the tube can be coated with the airgel to form the jacket that surrounds the channel. Preferably the tube is flexible. By means of a flexible tube, the inside of which is coated with an airgel, the minimum bending radius can also be determined for each duct geometry, at which the prerequisite for total internal total reflection is no longer given. The tube can for example consist of a metal, an alloy or a plastic. Preferably the pipe is a plastic pipe. An example of an alloy pipe is a steel pipe.

Die Leitungseinrichtung weist eine erste Stirnseite und eine zweite Stirnseite auf. An der ersten Stirnseite kann eine Flüssigkeit in den Kanal der Leitungseinrichtung eintreten. Dazu ist der Kanal an der ersten Stirnseite offen. An der zweiten Stirnseite der Leitungseinrichtung kann die Flüssigkeit aus dem Kanal austreten. An der zweiten Stirnseite ist der Kanal dazu offen. Das erfindungsgemäße System kann ein Anschlusselement aufweisen, in dem die erste Stirnseite der Leitungseinrichtung angeordnet ist. Das Anschlusselement kann eine zweite Öffnung aufweisen, durch die Licht, das von der Lichtquelle emittiert wird, in das Anschlusselement als Anregungsstrahlung eintritt. Die zweite Öffnung kann durch ein lichtdurchlässiges Fenster verschlossen sein. Das Fenster kann mit einem Aerogel, vorzugsweise dem Aerogel, aus dem der Mantel besteht, beschichtet sein. Vorzugsweise ist die Flächenseite des Fensters, die der Lichtquelle abgewandt ist, mit dem Aerogel beschichtet. Die Beschichtung des Fensters mit einem Aerogel verhindert Verunreinigungen des Fensters, beispielsweise Ablagerung und/oder Fouling. Das Fenster besteht vorzugsweise aus einem transparenten Material, beispielweise Glas. Vorzugsweise liegen sich die erste und die zweite Öffnung des Anschlusselementes gegenüber. Licht, das durch die erste Öffnung in das Anschlusselement eintritt, kann ohne Richtungsänderung in den Kanal an der ersten Stirnseite der Leitungseinrichtung eintreten.The line device has a first end face and a second end face. A liquid can enter the channel of the conduit device at the first end face. For this purpose, the channel is open on the first face. The liquid can emerge from the channel at the second end face of the conduit device. For this purpose, the channel is open on the second end face. The system according to the invention can have a connection element in which the first end face of the line device is arranged. The connection element can have a second opening through which light, which is emitted by the light source, enters the connection element as excitation radiation. The second opening can be closed by a transparent window. The window can be coated with an airgel, preferably the airgel from which the jacket is made. The surface side of the window that faces away from the light source is preferably coated with the airgel. Coating the window with an airgel prevents contamination of the window, for example deposits and / or fouling. The window is preferably made of a transparent material, for example glass. The first and the second opening of the connection element are preferably located opposite one another. Light that enters the connection element through the first opening can enter the channel on the first end face of the line device without changing direction.

Es kann vorgesehen sein, dass das erfindungsgemäße System einen Einlass für die Flüssigkeit aufweist. Über den Einlass wird die Flüssigkeit in den Kanal geführt. Dazu kann das Anschlusselement eine dritte Öffnung aufweisen, über die die Flüssigkeit in das Anschlusselement eintritt und von dort in den Kanal gelangt, in den sie an der ersten Stirnseite der Leitungseinrichtung eintritt.It can be provided that the system according to the invention has an inlet for the liquid. The liquid is fed into the channel via the inlet. For this purpose, the connection element can have a third opening through which the liquid enters the connection element and from there passes into the channel into which it enters on the first end face of the line device.

Weist die Leitungseinrichtung ein Rohr auf, dessen Innenseite mit dem Aerogel unter Ausbildung des den Kanal umgebenden Mantels beschichtet ist, so kann das Rohr in die erste Öffnung des Anschlusselementes derart eingesetzt sein, dass sich die erste Stirnseite des Kanals in dem Anschlusselement befindet. Vorzugsweise grenzt der Rand der ersten Öffnung bündig an die Außenseite des Rohres an.If the conduit device has a tube, the inside of which is coated with the airgel to form the jacket surrounding the channel, the tube can be inserted into the first opening of the connection element in such a way that the first end face of the channel is in the connection element. Preferably, the edge of the first opening is flush with the outside of the tube.

Bei dem Anschlusselement kann es sich um ein T-Stück handeln. Vorzugsweise liegen sich die erste und die zweite Öffnung des T-Stückes gegenüber. Die dritte Öffnung des T-Stückes kann in einer Wandung des T-Stückes ausgebildet sein, die die erste Öffnung mit der zweiten Öffnung verbindet. Bei dem T-Stück kann es sich beispielsweise um eine Hülse handeln, dessen erste Stirnseite die erste Öffnung und dessen zweite Stirnseite die zweite Öffnung aufweist. Die Hülse weist ferner einen Mantel auf, in der die dritte Öffnung ausgebildet ist. An die dritte Öffnung kann ein ring- oder rohrförmiges Anschlusselemente anschließen, über das die Flüssigkeit in das Anschlusselement eingebracht wird. Das Fenster, das die zweite Öffnung verschließt, kann zwischen der zweiten Stirnseite der Hülse und der dritten Öffnungen, die sich im Mantel der Hülse befindet, angeordnet sein.The connection element can be a T-piece. The first and the second opening of the T-piece are preferably opposite one another. The third opening of the T-piece can be formed in a wall of the T-piece that connects the first opening to the second opening. The T-piece can be, for example, a sleeve whose first end face has the first opening and whose second end face has the second opening. The sleeve also has a jacket in which the third opening is formed. A ring-shaped or tubular connection element, via which the liquid is introduced into the connection element, can connect to the third opening. The window which closes the second opening can be arranged between the second end face of the sleeve and the third opening, which is located in the jacket of the sleeve.

Es kann vorgesehen sein, dass das erfindungsgemäße System eine Adsorptionseinrichtung aufweist, wobei die Leitungseinrichtung mit der Adsorptionseinrichtung optisch gekoppelt ist und die Adsorptionseinrichtung eine Oberfläche zur Adsorption von Licht aufweist. Licht, das an der zweiten Stirnseite des Kanales aus diesem austritt, wird von der Adsorptionseinrichtung adsorbiert. Weist die Leitungseinrichtung ein Rohr auf, so kann das Rohr einen Abschnitt aufweisen, der an die zweite Stirnseite des Kanals angrenzt und sich von dieser in entgegengesetzter Richtung zur ersten Stirnseite des Kanals erstreckt. Es kann vorgesehen sein, dass in diesem Abschnitt die Innenseite des Rohres keine Beschichtung aus dem Aerogel aufweist. Eine optische Auskopplung des Lichtes aus der Leitungseinrichtung ist damit nicht erforderlich.It can be provided that the system according to the invention has an adsorption device, the line device being optically coupled to the adsorption device and the adsorption device having a surface for adsorbing light. Light emerging from the second end of the channel is adsorbed by the adsorption device. If the conduit device has a pipe, the pipe can have a section which adjoins the second end face of the channel and extends from this in the opposite direction to the first end face of the channel. It can be provided that in this section the inside of the tube does not have a coating made from the airgel. An optical decoupling of the light from the line device is therefore not necessary.

Bei der Lichtquelle kann es sich um einen Laser oder eine andere Lichtquelle handeln, deren Emissionsstrahlung zur Raman-Spektroskopie geeignet ist. Bei der Emissionsstrahlung handelt es sich vorzugsweise um eine schmalbandige Anregungsstrahlung. Bei dem Laser handelt es sich vorzugsweise um einen Laser, wie er in der Raman-Spektroskopie üblich ist. Vorzugsweise wird mittels der Lichtquelle ein monochromatischer Strahl emittiert. Das Licht, das von der Lichtquelle bereitgestellt wird, kann erste optische Strahlungsführungsmittel passieren, bevor es als Anregungslicht in den Kanal der Leitungseinrichtung eingeleitet wird.The light source can be a laser or another light source whose emission radiation is suitable for Raman spectroscopy. The emission radiation is preferably a narrow-band excitation radiation. The laser is preferably a laser as is customary in Raman spectroscopy. A monochromatic beam is preferably emitted by means of the light source. The light that is provided by the light source can pass through first optical radiation guiding means before it is introduced as excitation light into the channel of the conduction device.

Bei dem Detektor kann es sich um ein Spektrometer oder einen Spektrographen handeln. Bei dem Spektrometer handelt es sich vorzugsweise um ein Spektrometer, wie es in der Raman-Spektroskopie üblich ist. Bei dem Spektrographen handelt es sich vorzugsweise um einen Spektrographen, wie er in der Raman-Spektroskopie üblich ist. Der Detektor kann beispielsweise ein NIR-Fourier-Spektrometer sein. Der Detektor ermöglicht das Detektieren von Strahlung, die aus der Strahlung-Flüssigkeit-Wechselwirkung in dem Kanal resultiert. Ein Teil dieser Strahlung ist das Ramansignal. Das mittels des Detektors erfasste Ramansignal kann zur Analyse der Flüssigkeit genutzt werden. Der Detektor und die Lichtquelle können derselben Stirnseite der Leitungseinrichtung gegenüber liegen, was jedoch nicht zwingend erforderlich ist. Dabei handelt es sich vorzugsweise um die Stirnseite, die in dem Anschlusselement angeordnet ist.The detector can be a spectrometer or a spectrograph. The spectrometer is preferably a spectrometer, as is customary in Raman spectroscopy. The spectrograph is preferably a spectrograph as is customary in Raman spectroscopy. The detector can be, for example, an NIR Fourier spectrometer. The detector enables the detection of radiation resulting from the radiation-liquid interaction in the channel. Part of this radiation is the Raman signal. The Raman signal detected by the detector can be used to analyze the liquid. The detector and the light source can lie opposite the same end face of the line device, but this is not absolutely necessary. This is preferably the end face that is arranged in the connection element.

Das erfindungsgemäße System kann erste optische Strahlungsführungsmittel zum Führen des von der Lichtquelle emittierten Lichtes in den Kanal der Leitungseinrichtung aufweisen. Dabei kann das von der Lichtquelle emittierte Licht in ein Anregungslicht überführt werden. Das erfindungsgemäße System kann zweite optische Strahlungsführungsmittel zum Führen des von der Flüssigkeit in dem Kanal gestreuten und/oder emittierten Lichtes aufweisen. Das erste optische Strahlungsführungsmittel und das zweite optische Strahlungsführungsmittel können den optische Strahlungsführungsmitteln herkömmlicher Raman-Spektrometer entsprechen. Die ersten und zweiten optischen Strahlungsführungsmittel können beispielsweise eine oder mehrere Linsen, einen oder mehrere Filter, einen oder mehrere Spiegel, ein oder mehrere Gitter, ein oder mehrere Prismen und/oder einen oder mehrere Strahlungsteiler aufweisen.The system according to the invention can have first optical radiation guiding means for guiding the light emitted by the light source into the channel of the line device. The light emitted by the light source can be converted into excitation light. The system according to the invention can have second optical radiation guiding means for guiding the light scattered and / or emitted by the liquid in the channel. The first optical radiation guidance means and the second optical radiation guidance means can correspond to the optical radiation guidance means of conventional Raman spectrometers. The first and second optical radiation guiding means can for example have one or more lenses, one or more filters, one or more mirrors, one or more gratings, one or more prisms and / or one or more beam splitters.

Das erfindungsgemäße System kann eine Pumpe zur Förderung einer Flüssigkeit in dem Kanal der Leitungseinrichtung aufweisen.The system according to the invention can have a pump for conveying a liquid in the channel of the line device.

Bei der Flüssigkeit kann es sich um einen flüssigen Stoff oder ein flüssiges Gemisch mehrerer Komponenten handeln. Beispielsweise kann es sich bei der Flüssigkeit um eine Lösung, eine Suspension, eine Emulsion, einen Schaum oder Kombinationen davon handeln. Ein Beispiel eines flüssigen Stoffes ist flüssiges Wasser. Ein Beispiel eines flüssigen Gemisches ist eine Lösung eines anorganischen Salzes in Wasser. Ein Beispiel einer Suspension ist ein Gemisch, das Wasser als Dispersionsmedium und Feststoffpartikel als disperse Phase aufweist. Ist die Flüssigkeit Wasser oder enthält sie Wasser, so wird vorzugsweise ein hydrophobes Aerogel eingesetzt, um eine Benetzung des Aerogels mit der Flüssigkeit zu verhindern. Die Flüssigkeit kann auch Mikroorganismen enthalten. Die Flüssigkeit kann als Fluidstrom durch den Kanal der Führungseinheit geführt werden.The liquid can be a liquid substance or a liquid mixture of several components. For example, the liquid can be a solution, a suspension, an emulsion, a foam or combinations thereof. An example of a liquid substance is liquid water. An example of a liquid mixture is a solution of an inorganic salt in water. An example of a suspension is a mixture that has water as the dispersion medium and solid particles as the disperse phase. If the liquid is water or if it contains water, a hydrophobic airgel is preferably used in order to prevent the airgel from being wetted with the liquid. The liquid can also contain microorganisms. The liquid can be guided as a fluid flow through the channel of the guide unit.

Nach Maßgabe der Erfindung ist ferner ein Verfahren zur Analyse von Flüssigkeiten vorgesehen. Das Verfahren umfasst die Schritte

  1. (a) Leiten einer Flüssigkeit in eine Leitungseinrichtung, die zum Leiten von Licht und zum Führen einer Flüssigkeit dient, wobei die Leitungseinrichtung einen Kanal zum Führen der Flüssigkeit und einen den Kanal umgebenden Mantel aufweist und wobei der Mantel ein Aerogel aufweist;
  2. (b) Leiten von Licht in den mit der Flüssigkeit gefüllten Kanal der Leitungseinrichtung; und
  3. (c) Detektieren von Strahlung, die von der Flüssigkeit in dem Kanal gestreut und/oder emittiert wird.
According to the invention, a method for analyzing liquids is also provided. The method comprises the steps
  1. (A) guiding a liquid into a conduit device which is used to conduct light and to guide a liquid, the conduit device having a channel for guiding the Having liquid and a jacket surrounding the channel, and wherein the jacket includes an airgel;
  2. (b) guiding light into the channel of the conduction device filled with the liquid; and
  3. (c) detecting radiation scattered and / or emitted by the liquid in the channel.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgeführt werden.The method according to the invention can be carried out by means of the device according to the invention.

Vorzugsweise werden Flüssigkeit und Licht gemeinsam in den Kanal geleitet. In dem Kanal kommt es zu einer Wechselwirkung zwischen eingeleitetem Licht und Flüssigkeit und zu einer Wechselwirkung zwischen dem bereits entstandenen Signal und der Flüssigkeit und damit zur Streuung, zur Emission, zur stimulierten Streuung und zur stimulierten Emission von Strahlung, d. h. zur Erzeugung eines Ramansignals. Da das Aerogel einen geringeren Brechungsindex als die Flüssigkeit hat, bleiben das unter den Bedingungen der Totalreflexion an der Grenzfläche zwischen Aerogel und Flüssigkeit reflektierte Licht und das Signal in dem Kanal gefangen und können diesen nur durch die beiden Stirnseiten der Leitungseinrichtung, die gleichzeitig die Enden des Kanals sind, verlassen. Das Ramansignal, das den Kanal verlässt, wird detektiert. Da der Kanal beliebig lang gewählt werden kann, kann das Interaktionsvolumen sowohl zwischen Anregungslicht und Flüssigkeit als auch Signallicht und Flüssigkeit beliebig groß gewählt werden. Da das Ramansignal proportional zu diesem Interaktionsvolumen ist, kann dadurch die detektierbare Ramansignalstärke vergrößert werden.Preferably, liquid and light are fed into the channel together. In the channel there is an interaction between the introduced light and liquid and an interaction between the signal that has already arisen and the liquid and thus scattering, emission, stimulated scattering and stimulated emission of radiation, i. H. for generating a Raman signal. Since the airgel has a lower refractive index than the liquid, the light and the signal reflected under the conditions of total reflection at the interface between the airgel and the liquid remain trapped in the channel and can only pass through the two end faces of the conduit device, which is also the ends of the Canal are abandoned. The Raman signal leaving the channel is detected. Since the channel can be chosen as long as desired, the interaction volume between excitation light and liquid as well as signal light and liquid can be chosen as large as desired. Since the Raman signal is proportional to this interaction volume, the detectable Raman signal strength can thereby be increased.

Es kann vorgesehen sein, dass die Flüssigkeit kontinuierlich durch den Kanal geführt wird. Dazu wird die Flüssigkeit in den Kanal an dessen erster Stirnseite in diesen eingeführt. Die Flüssigkeit kann den Kanal an dessen zweiter Stirnseite verlassen. Dazu kann sie beispielsweise in eine Adsorptionseinrichtung geführt werden. Es ist nicht zwingend erforderlich, dass die Flüssigkeit kontinuierlich durch den Kanal geführt wird. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Flüssigkeit Schritt (a) in den Kanal eingeleitet wird, dort zur Durchführung entweder von Schritt (b) oder von Schritt (b) und Schritt (c) verbleibt und anschließend aus dem Kanal entfernt wird. Nach der Entfernung der Flüssigkeit aus dem Kanal kann erneut Flüssigkeit in den Kanal eingeleitet werden. Die Flüssigkeit kann an ein und derselben Stirnseite in den Kanal eingeleitet und aus diesem entfernt werden.It can be provided that the liquid is fed continuously through the channel. For this purpose, the liquid is introduced into the channel at its first end face. The liquid can leave the channel at its second end face. For this purpose, it can be fed into an adsorption device, for example. It is not absolutely necessary for the liquid to be fed continuously through the channel. It can be provided, for example, that the liquid in step (a) is introduced into the channel, remains there to carry out either step (b) or step (b) and step (c) and is then removed from the channel. After the liquid has been removed from the channel, liquid can again be introduced into the channel. The liquid can be introduced into and removed from the channel at one and the same end face.

Es kann ferner vorgesehen sein, dass das Licht durch eine Öffnung, die in einem Anschlusselement ausgebildet ist, in die Leitungseinrichtung eintritt, und die Flüssigkeit über eine andere Öffnung, die in dem Anschlusselement ausgebildet ist, in die Leitungseinrichtung eintritt. Bei der Öffnung, durch die das Licht in die Leitungseinrichtung eintritt, kann es sich um die zweite Öffnung des Anschlusselementes handeln. Bei der Öffnung, über die die Flüssigkeit in die Leitungseinrichtung eintritt, kann es sich um die dritte Öffnung des Anschlusselementes handeln.It can further be provided that the light enters the line device through an opening which is formed in a connection element, and the liquid enters the line device via another opening which is formed in the connection element. The opening through which the light enters the conduit device can be the second opening of the connection element. The opening through which the liquid enters the line device can be the third opening of the connection element.

Weitere Einzelheiten des erfindungsgemäßen Verfahrens sind vorstehend im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen System erläutert worden. Es wird auf diese Einzelheiten verwiesen.Further details of the method according to the invention have been explained above in connection with the system according to the invention. Reference is made to these details.

Das erfindungsgemäße System und das erfindungsgemäße Verfahren stellen einen aerogelbasierten Flüssigkeits- und Lichtwellenleiter zur Verfügung. Der aerogelbasierte Flüssigkeits- und Lichtwellenleiter wird von dem Kanal und dem Mantel der Leitungseinrichtung gebildet. Das erfindungsgemäße System und das erfindungsgemäße Verfahren ermöglichen damit insbesondere die Analyse von Flüssigkeiten durch Raman-Spektroskopie. Mittels der Erfindung kann eine Steigerung der \Effizienz von Raman-Spektrometern erreicht werden, beispielsweise um den Faktor 20 oder höher. Eine Steigerung der Effizienz um den Faktor 20 oder höher liegt vor, wenn die Intensität des Ramansignals um den Faktor 20 oder größer erhöht wird. Das erfindungsgemäße Verfahren und das erfindungsgemäße System sind damit zur Echtzeit-Analyse der Zusammensetzungen flüssiger Gemische in der Verfahrenstechnik geeignet. Eine Echtzeit-Analyse ist für die Automatisierung und/oder Überwachung flexibel fahrbarer verfahrenstechnischer Anlagen und/oder Prozesse unabdingbar. Das erfindungsgemäße Verfahren und das erfindungsgemäße System sind insbesondere für die Wasseranalytik, die Bestimmung von Mikroplastik in wässerigen Gemischen und für die Spurenanalytik geeignet.The system according to the invention and the method according to the invention provide an airgel-based liquid and optical waveguide. The airgel-based liquid and optical waveguide is formed by the channel and the jacket of the conduit device. The system according to the invention and the method according to the invention thus enable in particular the analysis of liquids by Raman spectroscopy. By means of the invention, the efficiency of Raman spectrometers can be increased, for example by a factor of 20 or higher. The efficiency is increased by a factor of 20 or more if the intensity of the Raman signal is increased by a factor of 20 or more. The method according to the invention and the system according to the invention are therefore suitable for real-time analysis of the compositions of liquid mixtures in process engineering. A real-time analysis is indispensable for the automation and / or monitoring of flexible, mobile process engineering systems and / or processes. The method according to the invention and the system according to the invention are particularly suitable for water analysis, the determination of microplastics in aqueous mixtures and for trace analysis.

Die Erfindung erlaubt es ferner, die Anregungsleistung im gleichen Maße zu reduzieren, so dass ein Raman-Spektrometer mit kostengünstiger Hardware hergestellt werden kann. Das erfindungsgemäße System ermöglicht die Verwendung einer Bestrahlungsstärke von 5 mW/mm2 oder weniger zur Analyse von Flüssigkeiten. Es ermöglicht ferner Abtastraten von 1 Hz. Damit können das erfindungsgemäße System und das erfindungsgemäße Verfahren in explosionsgefährdeten Zonen eingesetzt werden.The invention also makes it possible to reduce the excitation power to the same extent, so that a Raman spectrometer can be manufactured with inexpensive hardware. The system according to the invention enables the use of an irradiance of 5 mW / mm 2 or less for the analysis of liquids. It also enables sampling rates of 1 Hz. The system according to the invention and the method according to the invention can thus be used in potentially explosive zones.

Zur Ausbildung des Kanals und des Mantels der Leitungseinrichtung stehen mehrere Methoden zur Verfügung. In einer ersten Methode wird das Aerogel als Monolith bereitgestellt und anschließend in diesen Monolithen eine durchgehende Bohrung eingebracht, die als Kanal dient.Several methods are available for forming the duct and the jacket of the conduit device. In a first method, the airgel is provided as a monolith and then a through hole is made in this monolith, which serves as a channel.

In einer zweiten Methode wird der Kanal nicht in das Aerogel gebohrt, sondern schon während des Sol-Gel-Prozesses durch das Einbringen eines Platzhalters ausgebildet. Das Einbringen des Platzhalters ist der erste Schritt zur Herstellung des Aerogels. Dort, wo später der Kanal im Aerogel verlaufen soll, wird im Gelierungsprozess ein Platzhalter, beispielsweise ein Teflonstab oder ein Teflonfaden, platziert, der nach dem Gelierungsprozess aus dem Gel herausgezogen wird und dabei den Kanal freigibt. Mit der Gelierung wird ein „nasses Gel“ erhalten, dessen Poren noch mit Flüssigkeit gefüllt sind. Die Trocknung des nassen Gels zum Aerogel erfolgt derart, dass die Flüssigkeit aus den Poren entfernt wird, ohne die poröse Struktur des Aerogels zu zerstören. Die Trocknung kann mit bekannten Apparaturen zur überkritischen Trocknung vorgenommen werden. Das Gel kann entweder vor oder nach der Trocknung hydrophobiert werden. Zur Ausbildung eines Kanals, der einen gekrümmten oder einen spiralförmigen Abschnitt aufweist, kann ein gekrümmter bzw. ein spiralförmiger Platzhalter in das Gel eingebracht werden. Nicht-lineare, also beispielsweise gekrümmt oder spiralförmige Platzhalter können dann zur Freilegung der Kanäle vor der Trocknung chemisch aus dem noch „nassen“ Gel gelöst werden.In a second method, the channel is not drilled into the airgel, but is formed during the sol-gel process by inserting a placeholder. Inserting the placeholder is the first step in making the airgel. In the gelling process, a placeholder, for example a Teflon rod or a Teflon thread, is placed where the channel in the airgel is later to run, which is pulled out of the gel after the gelling process, thereby releasing the channel. With the gelation a “wet gel” is obtained, the pores of which are still filled with liquid. The wet gel is dried to form the airgel in such a way that the liquid is removed from the pores without destroying the porous structure of the airgel. The drying can be carried out with known apparatus for supercritical drying. The gel can be made hydrophobic either before or after drying. In order to form a channel which has a curved or a spiral-shaped section, a curved or spiral-shaped placeholder can be introduced into the gel. Non-linear, for example curved or spiral-shaped placeholders can then be chemically removed from the “wet” gel to expose the channels before drying.

Das Einbringung der Flüssigkeit in den dünnen Kanal, der in einem Aerogel ausgebildet ist, kann mittels einer Pumpe erfolgen. Es kann daher vorteilhaft sein, das Aerogel von Anfang an, d. h. schon während des Sol-Gel-Verfahrens, in einem Rohr, vorzugsweise einem Stahlrohr, herzustellen. Auch die Trocknung erfolgt vorzugsweise in diesem Rohr. Das Rohr kann über Fittings mit der Pumpe verbunden werden, die das Wasser oder die wässrige Lösung durch das hydrophobe Aerogel fördern. Das Aerogel ist in der Regel zu fragil, um an dem Mantel nachträglich direkt Fittings anbringen zu können.The introduction of the liquid into the thin channel, which is formed in an airgel, can take place by means of a pump. It can therefore be advantageous to use the airgel from the beginning, i.e. H. even during the sol-gel process, in a pipe, preferably a steel pipe. The drying is also preferably carried out in this tube. The pipe can be connected to the pump via fittings that convey the water or the aqueous solution through the hydrophobic airgel. The airgel is usually too fragile to be able to attach fittings directly to the jacket at a later date.

Mittels der zweiten Methode wird somit ein Kanal in einem nassen Aerogel erzeugt, das nasse Gel hydrophobiert und das nasse hydrophobierte Gel anschließend überkritisch zu aerogelbasierten Licht- und Flüssigkeitsleitern getrocknet. Eine Hydrophobisierung ist auch nach dem Schritt der überkritischen Trocknung durch Imprägnierung möglich.Using the second method, a channel is created in a wet airgel, the wet gel is rendered hydrophobic and the wet, hydrophobicized gel is then dried supercritically to form airgel-based light and liquid guides. A hydrophobization is also possible after the step of supercritical drying by impregnation.

In einer dritten, bevorzugten Methode wird ein Rohr bereitgestellt. Bei dem Rohr kann es sich um ein Kunststoffrohr handeln. Die Innenseite des Rohres wird mit dem Aerogel unter Ausbildung des Mantels und des Kanals beschichtet. Dazu können Aerosolpartikel mittels dem von S.S. Prakash, C.J. Brinker, A.J. Hurd, S.M. Rao, Silica aerogel films prepared at ambient pressure by using surface derivatization to induce reversible drying shrinkage, Nature, 37 4 (1995) 439-443 , beschriebenen Verfahren auf die Innenseite des Rohres aufgebracht werden. Die Aerogelpartikel können Partikel aus einem hydrophoben Aerogel sein. Es hat sich herausgestellt, dass die mit Aerogelpartikeln beschichteten Kunststoffrohre biegsam sind, ohne dass die Beschichtung aus Aerogelpartikeln beim Biegen Schaden nimmt. Die zweite Methode ermöglicht die Herstellung von Leitungseinrichtungen beliebiger Länge.In a third preferred method, a tube is provided. The pipe can be a plastic pipe. The inside of the tube is coated with the airgel to form the jacket and the channel. For this purpose, aerosol particles can be added using the SS Prakash, CJ Brinker, AJ Hurd, SM Rao, Silica airogel films prepared at ambient pressure by using surface derivatization to induce reversible drying shrinkage, Nature, 37 4 (1995) 439-443 , described method are applied to the inside of the pipe. The airgel particles can be particles made from a hydrophobic airgel. It has been found that the plastic pipes coated with airgel particles are flexible without the coating of airgel particles being damaged during bending. The second method enables the manufacture of conduit equipment of any length.

Die dritte Methode bietet gegenüber der zweiten Methode mehrere Vorteile. Das sind insbesondere die Verformbarkeit der erhaltenen Leitungseinrichtungen, ein geringerer Materialbedarf, kürzere Trocknungszeiten und die Herstellbarkeit von quasi beliebig langen Kanälen.The third method offers several advantages over the second method. These are in particular the deformability of the line devices obtained, a lower material requirement, shorter drying times and the ability to produce channels of virtually any length.

Nach Maßgabe der Erfindung ist ferner die Verwendung einer Leitungseinrichtung zur Analyse einer Flüssigkeit vorgesehen. Die Leitungseinrichtung weist einen Kanal zum Führen einer Flüssigkeit und einen den Kanal umgebenden Mantel auf, wobei der Mantel ein Aerogel aufweist oder aus einem Aerogel besteht. Bei der Analyse handelt es sich vorzugsweise um eine spektroskopische Analyse, besonders bevorzugt eine Raman-spektroskopische Analyse der Flüssigkeit.According to the invention, the use of a line device for analyzing a liquid is also provided. The conduit device has a channel for guiding a liquid and a jacket surrounding the channel, the jacket having an airgel or consisting of an airgel. The analysis is preferably a spectroscopic analysis, particularly preferably a Raman spectroscopic analysis of the liquid.

Weitere Einzelheiten der erfindungsgemäßen Verwendung sind vorstehend im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen System erläutert worden. Es wird auf diese Einzelheiten verwiesen.Further details of the use according to the invention have been explained above in connection with the system according to the invention. Reference is made to these details.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen, die die Erfindung nicht einschränken sollen, unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen

  • 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Leitungseinrichtung (1A: perspektivische Darstellung; 1B: Teildarstellung eines Längsschnitts; 1C: Querschnitt);
  • 2 eine schematische Schnittdarstellung einer Ausführungsform eines Anschlusselementes;
  • 3 eine schematische Schnittdarstellung eines Anschlusselementes gemeinsam mit der in 1 gezeigten Ausführungsform einer Leitungseinrichtung und einer Anschlussleitung für eine Flüssigkeit;
  • 4 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems zur Analyse einer Flüssigkeit mittels Raman-Spektroskopie;
  • 5 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer Leitungseinrichtung mit einem spiralförmigen Abschnitt; und
  • 6 ein Diagramm, das Raman-Spektren von Wasser unter Verwendung einer Küvette und in einer erfindungsgemäßen Leitungseinrichtung zeigt.
The invention is explained in more detail below using exemplary embodiments, which are not intended to restrict the invention, with reference to the drawings. Show it
  • 1 a schematic representation of an embodiment of a line device ( 1A : perspective view; 1B : Partial representation of a longitudinal section; 1C : Cross-section);
  • 2 a schematic sectional view of an embodiment of a connection element;
  • 3rd a schematic sectional view of a connection element together with that in 1 embodiment shown of a line device and a connection line for a liquid;
  • 4th a schematic representation of an embodiment of a system according to the invention for analyzing a liquid by means of Raman spectroscopy;
  • 5 a schematic representation of a second embodiment of a line device with a spiral section; and
  • 6th a diagram showing Raman spectra of water using a cuvette and in a conduit device according to the invention.

Die in 1 gezeigte erste Ausführungsform einer Leitungseinrichtung 1 weist ein Kunststoffrohr 2 auf, dessen Innenseite mit Aerogel-Partikeln beschichtet ist. Die Aerogel-Partikel bilden einen Mantel 3, der einen Kanal 4 umgibt. Es ist in 1A zu erkennen, dass die Leitungseinrichtung 1 eine hohlzylindrische Grundform mit einer Längsachse A aufweist. Die Leitungseinrichtung 1 weist eine erste Stirnseite 5a auf, an der der Kanal 4 offen ist. Die Leitungseinrichtung 1 weist eine zweite Stirnseite 5b auf, an der der Kanal 4 ebenfalls offen ist. An der ersten Stirnseite 5a kann eine zu analysierende Flüssigkeit in den Kanal 4 eintreten. An der zweiten Stirnseite 5b kann die Flüssigkeit aus dem Kanal 4 austreten.In the 1 shown first embodiment of a line device 1 has a plastic tube 2 on, the inside of which is coated with airgel particles. The airgel particles form a coat 3rd , the one channel 4th surrounds. It is in 1A to recognize that the line facility 1 has a hollow cylindrical basic shape with a longitudinal axis A. The management facility 1 has a first end face 5a on where the canal 4th is open. The management facility 1 has a second end face 5b on where the canal 4th is also open. On the first face 5a a liquid to be analyzed can enter the channel 4th enter. On the second face 5b can the liquid out of the channel 4th step out.

Die Leitungseinrichtung 1 kann in ein Anschlusselement 6 derart eingesetzt werden, dass die erste Stirnseite 5a der Leitungseinrichtung 1 in dem Anschlusselement 6 angeordnet ist (2). Das Anschlusselement 6 ist ein T-Stück mit einem hülsenförmigen Grundkörper 7, der einen Innenraum 11 aufweist und an dessen Stirnseiten eine erste Öffnung 8a und zweite Öffnung 8b und in dessen Mantel eine dritte Öffnung 8c ausgebildet sind. An dem Mantel des Grundkörpers 7 ist ein ring- oder rohrförmiger Ansatz 9 ausgebildet, an den eine Anschlussleitung 12 zum Führen einer Flüssigkeit in das Anschlusselement 6 angeschlossen werden (siehe auch 3). Der Ansatz 9 liegt an dem Mantel des Grundkörpers 7 derart an, dass der Innenraum des Ansatzes fluchtend zur dritten Öffnung 8c ist. Es ist in 2 zu erkennen, dass die erste Öffnung 8a und die zweite Öffnung 8b einander gegenüberliegen. Die zweite Öffnung 8b ist durch ein Fenster 10 verschlossen. Das Fenster 10 weist eine Innenseite 10a, die dem Innenraum 11 des Grundkörpers 7 zugewandt ist, auf. Die Innenseite 10a ist mit einer Beschichtung aus Aerosolpartikeln versehen.The management facility 1 can in a connection element 6th be used in such a way that the first end face 5a the management facility 1 in the connection element 6th is arranged ( 2 ). The connection element 6th is a T-piece with a sleeve-shaped body 7th having an interior 11 has and a first opening on its end faces 8a and second opening 8b and a third opening in its jacket 8c are trained. On the jacket of the main body 7th is an annular or tubular approach 9 formed to which a connecting line 12th for guiding a liquid into the connection element 6th connected (see also 3rd ). The approach 9 lies on the jacket of the main body 7th in such a way that the interior of the approach is aligned with the third opening 8c is. It is in 2 to realize that the first opening 8a and the second opening 8b face each other. The second opening 8b is through a window 10 locked. The window 10 has an inside 10a that the interior 11 of the main body 7th is facing on. The inside 10a is provided with a coating of aerosol particles.

3 zeigt das in 2 gezeigte Anschlusselement 6, wobei in dessen erste Öffnung 8a die Leitungseinrichtung 1 derart eingesetzt ist, dass sich deren Stirnseite 5a in dem Innenraum 11 des Anschlusselementes 6 befindet. Dabei liegt die Außenseite des Rohres 2 an der Innenseite des Grundkörpers dicht an. Es ist in 3 zu erkennen, dass die Leitungseinrichtung 1 derart in dem Anschlusselement 6 angeordnet ist, dass sie die dritte Öffnung 8c des Anschlusselementes 6 nicht verschließt. Es ist in 3 zu erkennen, dass die zweite Öffnung 8b des Anschlusselementes 6 der ersten Stirnseite 5a des Leitungselementes gegenüberliegt. In den Ansatz 9 ist die Anschlussleitung 12 derart eingesetzt, dass der Mantel der Anschlussleitung 12 an der Innenseite des Ansatzes 9 dicht anliegt. Flüssigkeit, die über Leitung 12 in den Innenraum 11 des Anschlusselements 6 gelangt (Pfeil F), tritt in den Kanal 4 der Leitungseinrichtung 1 an deren Stirnseite 5a ein (Pfeil K). Ein Laserstrahl, der durch das Fenster 10 in den Innenraum 11 des Anschlusselements 6 gelangt (Pfeil L), tritt in den Kanal 4 und den Mantel 3 der Leitungseinrichtung 1 an deren Stirnseite 5a ein. In der Leitungseinrichtung 1 findet an der Grenzfläche zwischen der Flüssigkeit und dem Mantel aus Aerogel eine interne Totalreflexion der Lichtstrahlung statt. Die durch Licht-Flüssigkeit-Wechselwirkungen entstehende Streustrahlung, die Raman-Streuung, wird mittels eines Detektors detektiert. Das dabei erhaltene Spektrum kann dann zur Analyse der Flüssigkeit verwendet werden (siehe auch 4). 3rd shows that in 2 connection element shown 6th , with its first opening 8a the management facility 1 is used in such a way that its end face 5a in the interior 11 of the connection element 6th is located. The outside of the pipe is located here 2 close to the inside of the base body. It is in 3rd to recognize that the line facility 1 such in the connection element 6th is arranged to be the third opening 8c of the connection element 6th not locked. It is in 3rd to see that the second opening 8b of the connection element 6th the first face 5a of the line element is opposite. In the approach 9 is the connecting cable 12th used in such a way that the sheath of the connecting cable 12th on the inside of the neck 9 fits tightly. Liquid flowing through pipe 12th in the interior 11 of the connection element 6th (arrow F), enters the canal 4th the management facility 1 at their front side 5a a (arrow K). A laser beam coming through the window 10 in the interior 11 of the connection element 6th (arrow L), enters the canal 4th and the coat 3rd the management facility 1 at their front side 5a a. In the line facility 1 a total internal reflection of the light radiation takes place at the interface between the liquid and the jacket of airgel. The scattered radiation caused by light-liquid interactions, known as Raman scattering, is detected by means of a detector. The spectrum obtained in this way can then be used to analyze the liquid (see also 4th ).

Das in 4 gezeigte System 21 weist die in den 1 und 3 gezeigte Leitungseinrichtung 1 und das in den 2 und 3 gezeigte Anschlusselement 6 auf. Das System 21 weist ferner einen Laser 22 auf, der als Lichtquelle dient. Mittels des Lasers 22 wird ein Laserstrahl erzeugt, der unter Erhalt des Anregungslichtes über erste optische Strahlungsführungsmittel, die einen Filter 23, eine Linse 24, einen Spiegel 25 und eine Linse 26 umfassen und in einem Gehäuse 30 angeordnet sind, zu der ersten Stirnseite 5a der Leitungseinrichtung 1 geführt wird. Dabei wird der Laserstrahl am Spiegel 25 derart umgelenkt, dass er über die Linse 26, die ebenfalls in dem Gehäuse 30 angeordnet ist, in den Innenraum 11 des Anschlusselementes 6 und von dort als Anregungslicht in den Kanal 4 der Leitungseinrichtung 1 geleitet wird (Pfeil A2). Mittels des Anregungslichtes werden Moleküle der zu analysierenden Flüssigkeit, die sich in dem Kanal 4 befindet, zur inelastischen Lichtstreuung, d. h. Streuung von Ramansignal angeregt. Die Strahlung, die die Leitungseinrichtung 1 an deren Stirnseite 5a verlässt, passiert die Linse 26 und den Spiegel 25, der für die Strahlung durchlässig ist, und wird über zweite optische Strahlungsführungsmittel, die eine Linse 27 und einen Filter 28 umfassen und die ebenfalls in dem Gehäuse 30 angeordnet sind, zu dem Detektor 29 geführt (Pfeil B), bei dem es sich um ein Spektrometer handeln kann. Ein beispielhaftes Raman-Spektrum ist in 6 gezeigt. Durch die Anschlussleitung 12 wird Flüssigkeit in den Kanal 4 der Leitungseinrichtung 1 geführt. Die Flüssigkeit kann den Kanal 4 an der Stirnseite 5b der Leitungseinrichtung 1 verlassen.This in 4th system shown 21 indicates the in the 1 and 3rd shown line device 1 and that in the 2 and 3rd connection element shown 6th on. The system 21 also has a laser 22nd on, which serves as a light source. By means of the laser 22nd a laser beam is generated, which while receiving the excitation light via first optical radiation guide means, which a filter 23 , a lens 24 , a mirror 25th and a lens 26th include and in a housing 30th are arranged to the first end face 5a the management facility 1 to be led. The laser beam is on the mirror 25th deflected in such a way that it goes over the lens 26th that are also in the housing 30th is arranged in the interior 11 of the connection element 6th and from there as excitation light into the canal 4th the management facility 1 is directed (arrow A2). By means of the excitation light, molecules of the liquid to be analyzed, which are in the channel 4th is located, to inelastic light scattering, ie excited scattering of Raman signal. The radiation that the conduction device 1 at their front side 5a leaves, passes the lens 26th and the mirror 25th , which is transparent to the radiation, and is via second optical radiation guide means, which a lens 27 and a filter 28 include and which are also in the housing 30th are arranged to the detector 29 out (arrow B), which can be a spectrometer. An exemplary Raman spectrum is in 6th shown. Through the connecting cable 12th gets liquid in the canal 4th the management facility 1 guided. The liquid can enter the canal 4th at the front 5b the management facility 1 leave.

Die in 5 gezeigte zweite Ausführungsform einer Leitungseinrichtung 1 entspricht der in 1 gezeigten Leitungseinrichtung, außer dass sie einen spiralförmigen Abschnitt aufweist.In the 5 shown second embodiment of a line device 1 corresponds to the in 1 conduit means shown, except that it has a spiral section.

Beispiel 1example 1

Herstellung einer Leitungseinrichtung aus einem Aerogel-MonolithenManufacture of a conduit device from an airgel monolith

Zur Herstellung einer Leitungseinrichtung wurde ein zylindrischer hydrophober Aerogel-Monolith bereitgestellt. In den Monolithen wurde eine durchgehende Bohrung unter Erhalt des Kanals eingebracht. Der Kanal wies eine Länge von 2 cm und einen Durchmesser von 2 mm auf.A cylindrical hydrophobic airgel monolith was provided to fabricate a conduit device. A through hole was drilled into the monolith while preserving the canal. The channel was 2 cm in length and 2 mm in diameter.

Beispiel 2Example 2

Verwendung der Leitungseinrichtung in einem Raman-SpektrometerUse of the line device in a Raman spectrometer

Die in Beispiel 1 hergestellte Leitungseinrichtung wurde anstelle einer Glasküvette in einem herkömmlichen Raman-Spektrometer eingesetzt. Mit dieser Leitungseinrichtung konnte für Wasser als Flüssigkeit eine Signalverstärkung um 40 % gegenüber der Verwendung einer Küvette nachgewiesen werden. Das in 6 gezeigte Diagramm veranschaulicht die Signalverstärkung, die mittels der erfindungsgemäßen Leitungseinrichtung gegenüber einer Küvette erreicht werden soll.The line device produced in Example 1 was used instead of a glass cuvette in a conventional Raman spectrometer. With this line device, a signal amplification of 40% compared to the use of a cuvette could be demonstrated for water as a liquid. This in 6th The diagram shown illustrates the signal amplification that is to be achieved by means of the line device according to the invention in relation to a cuvette.

Vergleichsbeispiel 1Comparative example 1

Verwendung von verspiegelten Hohlkapillaren in einem Raman-SpektrometerUse of mirrored hollow capillaries in a Raman spectrometer

Verspiegelte Hohlkapillaren wurden anstelle einer Glasküvette in einem herkömmlichen Raman-Spektrometer eingesetzt, um die Verstärkung des Ramansignals in solchen Hohlkapillaren zu untersuchen. In kommerziell erhältlichen, verspiegelten Hohlkapillaren der Länge 20 cm und des Innendurchmessers von 1 mm konnte eine Verstärkung des Ramansignals um Faktor 10 erreicht werden. Mit zunehmender Kapillarlänge nahmen die von der Verspiegelung stammenden Störsignale zu. Außerdem wurde die Verspiegelung in Flüssigkeitsströmungen mit der Zeit „blind“, d. h. wirkungslos.Mirrored hollow capillaries were used instead of a glass cuvette in a conventional Raman spectrometer in order to investigate the amplification of the Raman signal in such hollow capillaries. In commercially available, mirrored hollow capillaries with a length of 20 cm and an internal diameter of 1 mm, the Raman signal was amplified by a factor of 10. With increasing capillary length, the interference signals originating from the reflective coating increased. In addition, the mirroring in liquid flows became "blind" over time, i.e. H. ineffective.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
LeitungseinrichtungLine facility
22
Rohrpipe
33
Mantelcoat
44th
Kanalchannel
5a5a
erste Stirnseitefirst face
5b5b
zweite Stirnseitesecond face
66th
AnschlusselementConnection element
77th
GrundkörperBase body
8a8a
erste Öffnungfirst opening
8b8b
zweite Öffnungsecond opening
8c8c
dritte Öffnungthird opening
99
Ansatzapproach
1010
Fensterwindow
10a10a
Innenseiteinside
1111
Innenrauminner space
1212th
Anschlussleitung Connecting cable
2121
Systemsystem
2222nd
Laserlaser
2323
Filterfilter
2424
Linselens
2525th
Spiegelmirror
2626th
Linselens
2727
Linselens
2828
Filterfilter
2929
Detektordetector
3030th
Gehäusecasing

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • WO 2009/128995 A1 [0007]WO 2009/128995 A1 [0007]

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Claims (15)

System (21) zur Analyse von Flüssigkeiten, aufweisend eine Lichtquelle (22), eine Leitungseinrichtung (1) zum Leiten von Licht und zum Führen einer Flüssigkeit, wobei die Leitungseinrichtung (1) einen Kanal (4) zum Führen der Flüssigkeit aufweist, und einen Detektor (29), wobei die Leitungseinrichtung (1) einen den Kanal (4) umgebenden Mantel (3) aufweist und wobei der Mantel (3) ein Aerogel aufweist.System (21) for analyzing liquids, comprising a light source (22), a line device (1) for guiding light and for guiding a liquid, the line device (1) having a channel (4) for guiding the liquid, and a Detector (29), the conduit device (1) having a jacket (3) surrounding the channel (4) and the jacket (3) having an airgel. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel (3) aus dem Aerogel besteht.System according to Claim 1 , characterized in that the jacket (3) consists of the airgel. System nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Aerogel hydrophob oder hydrophil ist.System according to Claim 1 or Claim 2 , characterized in that the airgel is hydrophobic or hydrophilic. System nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (4) einen Querschnitt aufweist, der 0,5 mm oder größer ist.System according to one of the preceding claims, characterized in that the channel (4) has a cross-section which is 0.5 mm or greater. System nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (4) zumindest einen gekrümmten Abschnitt aufweist.System according to one of the preceding claims, characterized in that the channel (4) has at least one curved section. System nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (4) zumindest einen spiralförmigen Abschnitt aufweist.System according to one of the preceding claims, characterized in that the channel (4) has at least one spiral section. System nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungseinrichtung (1) ein Rohr (2) aufweist, in dem sich der Kanal (4) und der Mantel (3) befinden.System according to one of the preceding claims, characterized in that the line device (1) has a pipe (2) in which the channel (4) and the jacket (3) are located. System nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (2) aus einem Kunststoff besteht.System according to one of the preceding claims, characterized in that the pipe (2) consists of a plastic. System nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es ein lichtdurchlässiges Fenster (10) mit einer Flächenseite (10a) aufweist, die der Lichtquelle (22) abgewandt ist und mit einem Aerogel beschichtet ist.System according to one of the preceding claims, characterized in that it has a light-permeable window (10) with a surface side (10a) which faces away from the light source (22) and is coated with an airgel. System nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das System (21) einen Einlass für die Flüssigkeit in den Kanal (4) aufweist.System according to one of the preceding claims, characterized in that the system (21) has an inlet for the liquid into the channel (4). System nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Anschlusselement (6) aufweist, wobei das Anschlusselement (6) eine erste Öffnung (8a) zum Anschluss der Leitungseinrichtung (1) an das Anschlusselement (6), eine zweite Öffnung (8b) zum Einlassen von Licht und eine dritte Öffnung (8c) zum Einlassen der Flüssigkeit in das Anschlusselement (6) aufweist.System according to one of the preceding claims, characterized in that it has a connection element (6), wherein the connection element (6) has a first opening (8a) for connecting the line device (1) to the connection element (6), a second opening (8b) ) for admitting light and a third opening (8c) for admitting the liquid into the connection element (6). System nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Adsorptionseinrichtung aufweist, wobei die Leitungseinrichtung (1) mit der Adsorptionseinrichtung optisch gekoppelt ist und die Adsorptionseinrichtung eine Oberfläche zur Adsorption von Licht aufweist.System according to one of the preceding claims, characterized in that it has an adsorption device, the line device (1) being optically coupled to the adsorption device and the adsorption device having a surface for adsorbing light. Verfahren zur Analyse von Flüssigkeiten, umfassend die Schritte (a) Leiten einer Flüssigkeit in eine Leitungseinrichtung (1), die zum Leiten von Licht und zum Führen einer Flüssigkeit dient, wobei die Leitungseinrichtung (1) einen Kanal (4) zum Führen der Flüssigkeit und einen den Kanal umgebenden Mantel (3) aufweist und wobei der Mantel (3) ein Aerogel aufweist; (b) Leiten von Licht in den mit der Flüssigkeit gefüllten Kanal (4) der Leitungseinrichtung (1); und (c) Detektieren von Strahlung, die von der Flüssigkeit in dem Kanal gestreut und/oder emittiert wird.A method for analyzing liquids, comprising the steps (A) guiding a liquid into a conduit device (1) which is used for guiding light and for guiding a liquid, the conduit device (1) having a channel (4) for guiding the liquid and a jacket (3) surrounding the channel and wherein the jacket (3) comprises an airgel; (b) guiding light into the channel (4) of the conduction device (1) filled with the liquid; and (c) detecting radiation scattered and / or emitted by the liquid in the channel. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit kontinuierlich durch den Kanal (4) geleitet wird.Procedure according to Claim 13 , characterized in that the liquid is continuously passed through the channel (4). Verwendung einer Leitungseinrichtung (1) zur Analyse einer Flüssigkeit, wobei die Leitungseinrichtung (1) einen Kanal (4) zum Führen einer Flüssigkeit und einen den Kanal (4) umgebenden Mantel (3) aufweist, wobei der Mantel (3) ein Aerogel aufweist oder aus einem Aerogel besteht.Use of a line device (1) for analyzing a liquid, the line device (1) having a channel (4) for guiding a liquid and a jacket (3) surrounding the channel (4), the jacket (3) comprising an airgel or consists of an airgel.
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