WO2019228593A1 - Method for suppressing the cross sensitivity when detecting a trace gas and/or for simultaneously measuring the concentration of a plurality of trace gases by selective optical saturation spectroscopy - Google Patents

Method for suppressing the cross sensitivity when detecting a trace gas and/or for simultaneously measuring the concentration of a plurality of trace gases by selective optical saturation spectroscopy Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a method
  • Cross-sensitivity is as low as possible.
  • diode laser spectrometers in which individual absorption lines of the trace gases are measured by TDLAS (tunable diode laser absorption spectroscopy) .
  • Sensitivity enhancement also includes noise-suppressing modulation methods (for example, wavelength modulation spectroscopy) and methods with optical resonators such as CEAS (cavity enhanced absorption spectroscopy) ) and CRDS (cavity ring-down spectroscopy), the optical resonators also acting as a measuring cell, so that very high effective absorption lengths are achieved by the sample.
  • CEAS cavity enhanced absorption spectroscopy
  • CRDS cavity ring-down spectroscopy
  • the object of the present invention presented method is by targeted
  • a p is the effective absorption coefficient of the species i measured at the light intensity / with the linear absorption coefficient a 0 i (thus measured for / ⁇ 0).
  • h g m g, i denotes the saturation intensity of the species
  • the intensity decay curve of the light in the resonator (the so-called ringdown) can be represented by a simple exponential function, the absorption of the trace gas resulting from the difference between the two decay times.
  • an absorption spectrum is often recorded and the signal without absorbing species is measured approximately at an adjacent wavelength at which no species is allowed to absorb.
  • a disadvantage of the conventional CRDS is that additional errors occur due to the difference between two measurements. The determination of both cooldowns in a single experiment is therefore advantageous for the Saturated CRDS.
  • Carbon dioxide isotopologue is countered by a global mathematical adaptation of the ring-down curves measured over an extended wavelength range. The usual superposition of the absorption contributions is taken into account and the saturation intensities required for the modeling of the absorptions are determined in separate calibration measurements.
  • 2S1 W Tele Species - One Wavelength Detection
  • 2D LASSS 2D laser absorption selective saturation spectroscopy
  • Intensity axis recorded and evaluated. With increasing intensity of the detection light, the absorption contributions of the more optically saturable components in the spectrum are successively switched off. Compared with conventional analysis methods, 2D LASSS thus an improved quantitative analysis of complex gas mixtures, since the spectrally overlapping signals can be better detected separately by the targeted saturation of individual mixture components.
  • improved simultaneous concentration determination of trace gases in a sample by measuring absorptions or absorption spectra in the light irradiation of the sample comprises measuring the absorbance at a particular wavelength or measuring absorption spectra at different intensities of the light irradiation;
  • Light intensity is varied systematically over a specified range, resulting in a selective optical saturation of at least one of the absorbing components.
  • the suppression of the cross sensitivity or the simultaneous succeeds
  • the special feature of the method according to the invention for measuring the absorption of trace gases by means of selective optical saturation lies in the fact that the absorption of the sample is specifically measured at different intensities of the light irradiation.
  • the systematic use of different light intensities ensures that the different species in the sample become highly optically saturated. It plays a minor role, whether the light intensity is varied gradually or continuously, as long as a specific light intensity can be assigned a unique absorption signal.
  • Highly optically saturated substances have no or almost no absorption (note from the inventors: of course it is in principle impossible to saturate the system to 100%, since this would be possible only at infinitely high light intensity - almost can also have the meaning of : highly optically saturated substances have only negligible absorption, they are optically transparent) more, they become optically transparent. Conscious saturation due to particularly intense intensity means that, in the case of cross-sensitivity, an interfering substance or, in the case of quantitative analysis of a gas mixture of one of the target substances, becomes transparent for the measurement.
  • the non-saturated and the saturated absorption spectrum can be recorded separately in a normal absorption cell.
  • all absorption spectroscopy methods including the modulation methods are suitable for this purpose.
  • the method according to the invention can thus be operated with all spectrometers; it requires only a correspondingly different use or application.
  • Embodiment for a gas mixture of two components which is located in a simple absorption cell explained.
  • the total absorption measured at the maximum of two superimposed absorption lines decreases, since the more easily optically saturable component becomes increasingly transparent.
  • the absorption spectra of the pure substances and of the mixture likewise shown in diagram 1 serve only to illustrate the selected wavelength of the detection light. The actual measurement according to 2S1W method takes place at a fixed wavelength.
  • this 2S1W embodiment of the method according to the invention allows simultaneous detection of two species of the trace gases present in the sample, even when using a fixed wavelength light source, or a cross sensitivity due to a second substance suppress. Unlike methods based on line shape analysis of two partially overlapping substances, the 2S1 W measurement is successful even when two absorption lines completely overlap spectrally.
  • another non-absorbing buffer gas may be added. This influences the energy transfer effects Relaxation times of the energetically excited analyte molecules by the radiation absorption and thus also the absolute values of the saturation intensities of the trace gases present in the gas mixture. If the saturation intensity is influenced in
  • the degree of saturation of the different species in the gas mixture can be optimized substance-specifically.
  • absorption spectra are measured.
  • the result is a new type of two-dimensional absorption spectroscopy (2D-LASSS method, 2D laser absorption selective saturation spectroscopy) in which the measured absorption is represented as a function of wavelength and light intensity.
  • the absorption spectra measured under systematically varied light intensity can be classified in terms of saturation or unsaturation and thus quantitatively assigned to different trace gases. It is important for the accuracy of the method that at certain wavelengths a selective saturation of one of the present components occurs. In this case, the information obtained by the additional measurement variable of the light intensity makes it possible to better identify and suppress cross-sensitivities as compared with the prior art
  • optical resonators as used in the known spectroscopic method CEAS and CRDS, the advantage that with them the light intensity of a spectrally narrow-band light source in
  • Resonator can be amplified and thus the high light intensities required can be realized even with low-power beam sources.
  • the object of simultaneous species detection or suppression of cross sensitivity is achieved by applying the known saturated CRDS methodology.
  • Such an optional experimental setup is, for example, in the publication by Bennett Sadiek and Gernot Friedrichs "Saturation Dynamics and Working Limits of
  • the rapid decay of light intensity in the optical resonator typically observed on the ps time scale, becomes
  • the initial light intensity is selected to be high enough to optically saturate at least one of the two (or more) trace gases contained in the gas mixture.
  • the saturation state of the sample gradually decreases. This leads to an increased absorption and thus a accelerated decrease in light intensity.
  • the described preferred embodiment of the inventive method allows the quasi-simultaneous determination of the concentrations of two (or more) species with overlapping absorption lines.
  • the method according to the invention presented here is based on a targeted, selective optical saturation of one of the mixture components and can also be used for measurements with only one detection wavelength even without the global spectral fit procedure described therein.
  • the method according to the invention not only takes into account the superposition of the signal contributions of different species known from the literature, but deliberately switches off the signal contributions of one of the components at specific times of the ring-down signal by selecting the initial intensity and the optional non-absorbing additional collision partner.
  • Diagram 2 illustrates the simultaneous acquisition of the absorption spectra of two substances using the preferred embodiment of the Saturated CRDS.
  • the task of separate substance detection is solved by the evaluation of the measured ring-down curves directly for each measurement point and in the sense of the 2S1W variant delivers the pure absorption signals of the two substances in separate measurement channels.
  • Diagram 2 shows that measuring channel 1 (optically non-saturated measuring channel) reliably delivers the spectrum of the substance with high saturation intensity when tuning the wavelength of the detection light.
  • Measuring channel 2 (optically saturated measuring channel), on the other hand, supplies the spectrum of the substance with low saturation intensity.
  • Diagram 3 illustrates the quantitative detection of a trace gas to be detected in the presence of cross sensitivity.
  • the absorption is measured at a fixed wavelength, which is set at the maximum of the superimposed absorption spectrum, so that the absorption of the species to be detected is quite deliberately superimposed by the spurious absorption of the second trace gas.
  • measuring channel 1 which here corresponds to the measurement at high intensity, provides despite the present cross-sensitivity with the more easily saturable component over a wide dynamic range the expected linear relationship between measuring signal and
  • the embodiment of the Saturated-CRDS is less suitable because the decoupling important for the modeling of the measured ring-down signal
  • Absorption cells wherein the measurement is performed with systematically varied intensity and optional addition of another collision partner for varying the saturation intensities.

Abstract

The invention relates to a method for suppressing the cross sensitivity when determining the concentration of a trace gas, the absorptions and/or absorption spectra of which are disturbed by at least one further component, and/or for simultaneously determining the concentration of trace gases in a sample by measuring absorptions or absorption spectra, in each case when irradiating the sample with light, characterized by measuring the absorptions and/or absorption spectra at different intensities of the light irradiation, with the light intensity being systematically varied over a set range, this leading to a selective optical saturation of at least one of the absorbing components.

Description

Verfahren zur Unterdrückung der Kreuzempfindlichkeit beim Nachweis eines Spurengases und bzw. oder zur simultanen Konzentrationsmessung mehrerer Spurengase durch selektive optische Sättigungsspektroskopie  Method for suppressing cross-sensitivity in the detection of a trace gas and / or for simultaneous concentration measurement of multiple trace gases by selective optical saturation spectroscopy
Die Erfindung betrifft ein Verfahren The invention relates to a method
- zur Unterdrückung der Kreuzempfindlichkeit bei der Konzentrationsbestimmung eines  to suppress the cross sensitivity in determining the concentration of a
Spurengases, dessen Absorptionen und/oder dessen Absorptionsspektren von  Trace gas, its absorptions and / or its absorption spectra of
wenigstens einer weiteren Komponente gestört wird,  at least one other component is disturbed,
und/oder and or
- zur simultanen Konzentrationsbestimmung von Spurengasen in einer Probe durch  - For the simultaneous concentration determination of trace gases in a sample
Messung von Absorptionen bzw. von Absorptionsspektren,  Measurement of absorptions or absorption spectra
jeweils bei der Lichtbestrahlung der Probe. each at the light irradiation of the sample.
In dem Verfahren zur Unterdrückung der Kreuzempfindlichkeit beim Nachweis eines  In the method of suppressing cross-sensitivity in detecting a
Spurengases und zur simultanen Konzentrationsbestimmung von Spurengasen in einer Probe wird erfindungsgemäß insbesondere durch Messung von Absorptionen bzw. von Trace gas and the simultaneous determination of concentration of trace gases in a sample according to the invention in particular by measuring absorptions or of
Absorptionsspektren bei der Bestrahlung der Probe mit Licht unterschiedlicher Intensität gearbeitet. Absorption spectra worked on the irradiation of the sample with light of different intensity.
Absorptionsmessungen zur genauen Konzentrationsbestimmung von Spurengase finden vielfältige Anwendungen in der Umweltüberwachung, der Prozessüberwachung, der  Absorption measurements for accurate concentration determination of trace gases find a wide variety of applications in environmental monitoring, process monitoring, process control, and so on
medizinischen Diagnostik, etc. Dazu sind zahlreiche kommerzielle Instrumente auf dem Markt verfügbar, die meist für den Nachweis eines bestimmten oder einiger weniger Spurengase (z.B. Kohlenstoffdioxid, Methan, Stickoxide) optimiert sind. Der quantitative Nachweis einer Spezies gelingt durch Anwendung des Lambert-Beer’schen Gesetzes, medical diagnostics, etc. Numerous commercial instruments are available on the market which are mostly optimized for detecting one or a few trace gases (e.g., carbon dioxide, methane, nitrogen oxides). The quantitative detection of a species succeeds by applying Lambert-Beer's law,
/ = 70 exp (— a0 ίZ) , das es erlaubt, aus der Abschwächung (Absorption) eines Lichtstrahls, der eine Messzelle der Länge / durchläuft, die Konzentration c, des absorbierenden Stoffes / zu ermitteln. Dazu wird die Lichtintensität I0 vor der Probe und die Lichtintensität / hinter der Probe gemessen und daraus der Absorptionskoeffizient a0, = s,- c; berechnet. Bei bekanntem Absorptionsquerschnitt s„ der von der Wellenlänge des Nachweislichtes abhängig und stoffspezifisch ist, wird direkt die Konzentration der nachzuweisenden Spezies erhalten. Ein generelles Problem des Nachweises von Gasen mittels Absorptionsspektroskopie ist es, dass die Absorptionsspektren / = 7 0 exp (- a 0 ί Z), which allows to determine from the attenuation (absorption) of a light beam passing through a measuring cell of length /, the concentration c, of the absorbent material /. For this purpose, the light intensity I 0 before the sample and the light intensity / behind the sample is measured and from this the absorption coefficient a 0, = s, - c ; calculated. With a known absorption cross-section s "which is dependent on the wavelength of the detection light and substance-specific, the concentration of the species to be detected is obtained directly. A general problem of the detection of gases by means of absorption spectroscopy is that the absorption spectra
unterschiedlicher Gase mehr oder weniger stark überlappen können. Dadurch kommt es bei der Untersuchung von realen Proben, die normalerweise mehrere unterschiedliche Gase enthalten, zur sogenannten Kreuzempfindlichkeiten, d.h. es gelingt nicht mehr, ein bestimmtes Gas frei von Störeinflüssen anderer Gase zu detektieren. Moderne Spektrometer begegnen diesem Problem dadurch, dass mit spektral schmalbandigen Lichtquellen (z.B. Diodenlasern) gearbeitet wird. Dadurch wird es möglich, die Messungen bei genau selektierten Wellenlängen durchzuführen, bei denen die Störung durch different gases can overlap more or less strongly. This results in the investigation of real samples, which usually contain several different gases, the so-called cross sensitivity, ie it is no longer possible to detect a particular gas free of interference from other gases. Modern spectrometers counter this problem by working with spectrally narrow-band light sources (eg diode lasers). This makes it possible to perform the measurements at precisely selected wavelengths, in which the disturbance by
Kreuzempfindlichkeit möglichst gering ist. Stand der Technik sind Diodenlaser-Spektrometer, bei denen einzelne Absorptionslinien der Spurengase mittels TDLAS (tunable diode laser absorption spectroscopy vermessen werden. Zur Empfindlichkeitssteigerung kommen auch rauschunterdrückende Modulationsverfahren (bspw. wavelength modulation spectroscopy) und Verfahren mit optischen Resonatoren wie CEAS (cavity enhanced absorption spectroscopy) und CRDS (cavity ringdown spectroscopy) zum Einsatz. Die optischen Resonatoren fungieren dabei gleichzeitig als Messzelle, so dass sehr hohe effektive Absorptionslängen durch die Probe erreicht werden. Cross-sensitivity is as low as possible. State of the art are diode laser spectrometers in which individual absorption lines of the trace gases are measured by TDLAS (tunable diode laser absorption spectroscopy) .Sensitivity enhancement also includes noise-suppressing modulation methods (for example, wavelength modulation spectroscopy) and methods with optical resonators such as CEAS (cavity enhanced absorption spectroscopy) ) and CRDS (cavity ring-down spectroscopy), the optical resonators also acting as a measuring cell, so that very high effective absorption lengths are achieved by the sample.
Eine Alternative zur Messung einzelner Absorptionslinien ist es, mit möglichst hoher spektraler Auflösung einen erweiterten Wellenlängenbereich des Spektrums zu vermessen. Die Messung von Infrarotspektren über einen großen Wellenlängenbereich, wenn auch mit vergleichsweise geringerer spektraler Auflösung, gelingt mit der häufig verwendeten Fourier-Transform-Infrarot- Spektroskopie (FTIR). Bei spektral hochauflösenden laserbasierten Verfahren beschränkt man sich hingegen in der Regel auf kleinere spektrale Fenster, da insbesondere Diodenlaser in ihrer Durchstimmbarkeit beschränkt sind. Durch mathematische Modellierung der gemessenen Absorptionsspektren können aber in beiden Fällen die Konzentrationen mehrerer Spurengase gleichzeitig ermittelt werden. Da sich die gemessene Gesamtabsorption als Summe über die Beiträge der einzelnen Spezies ergibt, a0, gesamt = SΪ «O,Ϊ > gelingt das auch für teilweise überlappende Absorptionslinien und es ist somit prinzipiell auch möglich, Einflüsse von An alternative to measuring individual absorption lines is to measure an extended wavelength range of the spectrum with the highest possible spectral resolution. The measurement of infrared spectra over a large wavelength range, albeit with comparatively lower spectral resolution, succeeds with the frequently used Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR). In the case of spectrally high-resolution laser-based methods, on the other hand, one generally limits oneself to smaller spectral windows, since in particular diode lasers are limited in their tunability. By mathematical modeling of the measured absorption spectra, however, the concentrations of several trace gases can be determined simultaneously in both cases. Since the measured total absorption is the sum of the contributions of the individual species, a 0, total = S Ϊ « O, Ϊ> , this is also possible for partially overlapping absorption lines, and thus it is also possible in principle to influence
Kreuzempfindlichkeiten zu berücksichtigen. To consider cross sensitivities.
Selbst bei der Messung von Absorptionsspektren über größere Wellenlängebereiche können Kreuzempfindlichkeiten aber nur dann zuverlässig korrigiert werden, wenn möglichst alle Komponenten des Gasgemisches und deren Absorptionsspektren bekannt sind. Insbesondere für hochempfindliche und hochpräzise Messung eines bestimmten Spurengases bleibt somit die Kreuzempfindlichkeit bzw. die Korrektur der Absorptionsbeiträge anderer Spurengase ein immer wieder auftretendes und schwer zu quantifizierendes experimentelles Problem, dass die breite und einfache Einsetzbarkeit von Absorptionsspektrometern zur Spurengasanalytik limitiert.  Even in the measurement of absorption spectra over larger wavelength ranges, however, cross sensitivities can only be reliably corrected if as far as possible all components of the gas mixture and their absorption spectra are known. Especially for highly sensitive and high-precision measurement of a particular trace gas, the cross sensitivity or the correction of the absorption contributions of other trace gases thus remains an ever recurring and difficult to quantify experimental problem that limits the broad and easy usability of absorption spectrometers for trace gas analysis.
Aufgabe des hier vorgestellten erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, durch gezielte  The object of the present invention presented method is by targeted
Ausnutzung der optischen Sättigung Absorptionsspektrometer mit deutlich reduzierter Exploitation of optical saturation absorption spectrometer with significantly reduced
Kreuzempfindlichkeit zu realisieren. Der bezüglich der Lichtintensität nicht-lineare Effekt der optischen Sättigung beschreibt dabei die für eine Substanz spezifische, bei hohen To realize cross sensitivity. The non-linear effect of optical saturation with respect to the light intensity describes the specificity of a substance at high levels
Lichtintensität beobachtete Abnahme des Absorptionskoeffizientens:
Figure imgf000005_0001
Light intensity observed decrease in absorption coefficient:
Figure imgf000005_0001
ap ist der bei der Lichtintensität/ gemessene effektive Absorptionskoeffizient der Spezies i mit dem linearen (also für /^ 0 gemessenen) Absorptionskoeffizienten a0 i. h gmg,i bezeichnet die Sättigungsintensität der Spezies, der Exponent « liegt für Absorptionslinien von Spurengasen typischerweise im Bereich von n = 0.5 (niedriger Zelldruck) bis n = 1 (hoher Zelldruck). Für eine Gasmischung ist auch hier die gemessene Absorption als Summe über alle Absorptionsbeiträge der unterschiedlichen Spurengase gegeben, agesamt = S;«;· a p is the effective absorption coefficient of the species i measured at the light intensity / with the linear absorption coefficient a 0 i (thus measured for / ^ 0). h g m g, i denotes the saturation intensity of the species, the exponent «for absorption lines of trace gases is typically in the range of n = 0.5 (low cell pressure) to n = 1 (high cell pressure). For a gas mixture, the measured absorption is also given here as the sum over all absorption contributions of the different trace gases, a total = S; ·
Bisher wird der Effekt der optischen Sättigung insbesondere zur Erzielung höchster spektraler Auflösungen und der Realisierung hochpräziser Frequenzstandards, bspw. Lamb-Dip- Spektroskopie, entsprechend der Druckschrift US 5,136,261 B, sowie zur Vereinfachung von gemessenen Spektren und der damit erreichten leichteren Spektreninterpretation, bspw.  So far, the effect of optical saturation in particular to achieve the highest spectral resolutions and the realization of high-precision frequency standards, for example. Lamb dip spectroscopy, according to the document US 5,136,261 B, as well as to simplify measured spectra and thus achieved easier spectral interpretation, eg.
Doppelresonanz, Breitbandentkopplung, Kern-Overhauser- Effekt und Double resonance, broadband decoupling, core Overhauser effect and
Sättigungstransferdifferenz in der Kernspinresonanzspektroskopie (STD-NMR) eingesetzt. Letzteres Verfahren findet insbesondere Anwendung zur Untersuchung von Protein-Ligand- Interaktionen. Saturation transfer difference used in nuclear magnetic resonance spectroscopy (STD NMR). The latter method finds particular application in the study of protein-ligand interactions.
In der Veröffentlichung„Saturated-absorption cavity-ringdown spectroscopy“ von G. Giusfredi et al., erschienen im Journal Physical Review Leiters, Band-Nr. 104, 2010, Artikel 110801. wird das Verfahren Saturated-CRDS zum quantitativen Spurengasnachweis beschrieben. Das Verfahren dient zur Empfindlichkeitssteigerung der konventionellen CRDS-Spektroskopie durch Ausnutzung optischer Sättigungseffekte. In herkömmlichen Ausführungsformen der CRDS muss in zwei getrennten Messungen die Abklingzeit des Nachweislichtes im Resonator einmal ohne und einmal mit absorbierender Spezies im optischen Resonator gemessen werden. Dabei lässt sich in beiden Fällen die Intensitäts-Abklingkurve des Lichtes im Resonator (der sogenannte Ringdown) durch eine einfache Exponentialfunktion darstellen, wobei sich die Absorption des Spurengases aus der Differenz der zwei Abklingzeiten ergibt. Alternativ wird vielfach ein Absorptionsspektrum aufgenommen und das Signal ohne absorbierende Spezies näherungsweise bei einer benachbarten Wellenlänge gemessen, bei der keine Spezies absorbieren darf. Nachteilig bei der herkömmlichen CRDS ist, dass durch die Differenzbildung zweier Messungen zusätzliche Fehler entstehen. Vorteilhaft ist daher die bei der Saturated- CRDS vorgenommene Bestimmung beider Abklingzeiten in einem einzigen Experiment. Durch Messung bei sehr hohen Lichtintensitäten im Resonator wird im Falle der Saturated-CRDS die absorbierende Spezies anfänglich so stark gesättigt, dass zunächst die Abklingzeit des effektiv leeren Resonators ohne Absorber gemessen wird. Zu späteren Zeiten des Ringdowns fällt die Intensität hingegen auf so kleine Werte ab, dass auch die Absorption des Spurengases zum Abklingverhalten des Resonators beiträgt. Die quantitative Bestimmung der Konzentration des Spurengases gelingt durch mathematischen Modellierung des beobachteten nicht In the publication "Saturated-absorption cavity-ring-down spectroscopy" by G. Giusfredi et al., Appeared in Journal Physical Review Leiters, vol. No. 104, 2010, Article 110801. describes the method Saturated-CRDS for quantitative trace gas detection. The method is used to increase the sensitivity of conventional CRDS spectroscopy by exploiting optical saturation effects. In conventional CRDS embodiments, the decay time of the detection light in the resonator must be measured once without and once with absorbing species in the optical resonator in two separate measurements. In both cases, the intensity decay curve of the light in the resonator (the so-called ringdown) can be represented by a simple exponential function, the absorption of the trace gas resulting from the difference between the two decay times. Alternatively, an absorption spectrum is often recorded and the signal without absorbing species is measured approximately at an adjacent wavelength at which no species is allowed to absorb. A disadvantage of the conventional CRDS is that additional errors occur due to the difference between two measurements. The determination of both cooldowns in a single experiment is therefore advantageous for the Saturated CRDS. By measuring at very high light intensities in the resonator, in the case of the Saturated-CRDS, the absorbing species initially becomes so saturated that first the decay time of the effectively empty resonator without absorber is measured. On the other hand, at later times of the ringdown, the intensity falls to such a low value that the absorption of the trace gas also leads to the Decay behavior of the resonator contributes. The quantitative determination of the concentration of trace gas is not possible by mathematical modeling of the observed
exponentiellen Ringdown-Signals. In„Theory of saturated-absorption cavity ring-down: exponential ring-down signal. In "Theory of saturated-absorption cavity ring-down:
radiocarbon dioxide detection, a case study”, Journal of the Optical of America B, G. Giusfredi, et al. , received 21 May 2015, accepted 14 July 2015 (Doc. ID 241162); published 1 October 2015, ist ausführlich die zugrunde liegende Theorie und am Beispiel des für die Radiocarbon- Datierung wichtigen Nachweises des Kohlendioxid-Isotopologs 14C1602 die experimentelle Umsetzung beschrieben worden. Ferner offenbart die Druckschrift WO 2017/055606 A1 „Method for measuring the concentration of trace gases by SCAR spectroscopy“ eingehende Details zur mathematischen Modellierung der Ringdown-Signale. Der als Störung betrachteten Kreuzempfindlichkeit durch benachbarte Absorptionslinien anderer Spurengase oder radiocarbon dioxide detection, a case study ", Journal of the Optical of America B, G. Giusfredi, et al. , received 21 May 2015, accepted 14 July 2015 (Doc ID 241162); published 1 October 2015, the underlying theory has been described in detail and the example of the radiocarbon dating important evidence of carbon dioxide isotopologue 14 C 16 0 2 the experimental implementation. Furthermore, WO 2017/055606 A1 "Method for measuring the concentration of trace gases by SCAR spectroscopy" discloses detailed details on the mathematical modeling of the ring-down signals. The cross-sensitivity considered as interference by adjacent absorption lines of other trace gases or
Kohlendioxid-Isotopologe wird durch eine globale mathematische Anpassung der über einen erweiterten Wellenlängenbereich gemessenen Ringdownkurven begegnet. Dabei wird die übliche Superposition der Absorptionsbeiträge berücksichtigt und die für die Modellierung der Absorptionen benötigten Sättigungsintensitäten werden in getrennten Kalibrationsmessungen bestimmt. Carbon dioxide isotopologue is countered by a global mathematical adaptation of the ring-down curves measured over an extended wavelength range. The usual superposition of the absorption contributions is taken into account and the saturation intensities required for the modeling of the absorptions are determined in separate calibration measurements.
Ein Verfahren zur gezielten Verwendung der optischen Sättigung zur Unterdrückung der Kreuzempfindlichkeit und zur verbesserten quantitativen Bestimmung der Zusammensetzung einer Gasmischung ist bisher nicht beschrieben worden. Vielmehr arbeiten konventionelle Absorptionsspektrometer beabsichtigt bei niedrigen Lichtintensitäten, um die durch optische Sättigung verursachte Variation des Absorptionsquerschnittes zu vermeiden und so die einfache Anwendbarkeit des Lambert-Beer’schen Gesetzes zu gewährleisten. Auch in dem von Giusfredi et al. beschriebenen Saturated-CRDS-Verfahren wird die selektive Sättigung einer der im Gasgemisch vorliegenden Komponenten nicht gezielt zur Unterdrückung der  A method for selectively using optical saturation to suppress cross-sensitivity and to improve the quantitative determination of the composition of a gas mixture has not previously been described. Rather, conventional absorption spectrometers intentionally operate at low light intensities to avoid the saturation variation caused by optical saturation, thus ensuring the ease of application of Lambert-Beer's law. Also in the Giusfredi et al. Saturated CRDS method described, the selective saturation of one of the components present in the gas mixture is not targeted for the suppression of
Kreuzempfindlichkeit ausgenutzt. Desweiteren erlaubt das hier beschriebene Verfahren eine quantitative Analyse eine Gasmischung ohne die Notwendigkeit, Absorptionsspektren aufzunehmen, und zwar ohne eine vorherige Kalibrierung des Sättigungsverhaltens der vorliegenden zwei oder mehreren Spezies. Das Verfahren in dieser bevorzugten Cross-sensitivity exploited. Furthermore, the method described herein allows a quantitative analysis of a gas mixture without the need to acquire absorption spectra without prior calibration of the saturation behavior of the present two or more species. The method in this preferred
Ausführungsform mit festfrequenter Lichtquelle bezeichnen wir als 2S1 W-Nachweis (Two Species - One Wavelength Detection). Die gezielte selektive Sättigung einer (oder mehrerer) Komponenten im Gasgemisch unter gleichzeitiger Messung von Absorptionsspektren bezeichnen wir hingegen als 2D-LASSS-Verfahren (2D laser absorption selective Saturation spectroscopy). Neben der spektralen Achse wird beim 2D-LASSS-Verfahren auch die Fixed frequency light source embodiment is referred to as 2S1 W (Two Species - One Wavelength Detection) detection. The targeted selective saturation of one or more components in the gas mixture with simultaneous measurement of absorption spectra, however, is referred to as 2D LASSS (2D laser absorption selective saturation spectroscopy). In addition to the spectral axis, the 2D-LASSS method also uses the
Intensitätsachse aufgenommen und ausgewertet. Mit steigender Intensität des Nachweislichtes werden sukzessive die Absorptionsbeiträge der leichter optisch sättigbaren Komponenten im Spektrum ausgeschaltet. Im Vergleich mit herkömmlichen Analyseverfahren ermöglicht 2D- LASSS somit eine verbesserte quantitative Analyse komplexer Gasmischungen, da die spektral überlappenden Signale durch die gezielte Sättigung einzelner Mischungskomponenten besser voneinander getrennt detektiert werden können. Intensity axis recorded and evaluated. With increasing intensity of the detection light, the absorption contributions of the more optically saturable components in the spectrum are successively switched off. Compared with conventional analysis methods, 2D LASSS thus an improved quantitative analysis of complex gas mixtures, since the spectrally overlapping signals can be better detected separately by the targeted saturation of individual mixture components.
Gelöst wird bzw. werden die Aufgabe(n) und die im Stand bestehenden Probleme bzw.  The task (s) and existing problems or
Anforderungen mit einem Verfahren gemäß Hauptanspruch. Requirements with a method according to the main claim.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Unterdrückung der Kreuzempfindlichkeit und  The inventive method for suppressing the cross sensitivity and
verbesserten simultanen Konzentrationsbestimmung von Spurengasen in einer Probe durch Messung von Absorptionen bzw. von Absorptionsspektren bei der Lichtbestrahlung der Probe, umfasst das Messen der Absorption bei einer bestimmten Wellenlänge oder das Messen von Absorptionsspektren bei unterschiedlichen Intensitäten der Lichtbestrahlung, wobei die improved simultaneous concentration determination of trace gases in a sample by measuring absorptions or absorption spectra in the light irradiation of the sample comprises measuring the absorbance at a particular wavelength or measuring absorption spectra at different intensities of the light irradiation;
Lichtintensität über einen festgelegten Bereich systematisch variiert wird, wobei dies zu einer selektiven optischen Sättigung zumindest einer der absorbierenden Komponenten führt. Dabei gelingt die Unterdrückung der Kreuzempfindlichkeit bzw. die simultane Light intensity is varied systematically over a specified range, resulting in a selective optical saturation of at least one of the absorbing components. The suppression of the cross sensitivity or the simultaneous succeeds
Konzentrationsbestimmung der Spurengase umso besser, je unterschiedlicher der erzielte Grad der optischen Sättigung der absorbierenden Komponenten ist (Sättigungskontrast).  The determination of the concentration of trace gases is the better, the more different the degree of optical saturation of the absorbing components that is achieved (saturation contrast).
Das Besondere am erfindungsgemäßen Verfahren zur Absorptionsmessung von Spurengasen mittels selektiver optischer Sättigung liegt darin, dass die Absorption der Probe gezielt bei unterschiedlichen Intensitäten der Lichtbestrahlung gemessen wird. Durch die systematische Verwendung unterschiedlicher Lichtintensitäten wird erreicht, dass die unterschiedlichen Spezies in der Probe unterschiedlichen stark optisch gesättigt werden. Dabei spielt es eine untergeordnete Rolle, ob die Lichtintensität schrittweise oder kontinuierlich variiert wird, solange einer bestimmten Lichtintensität eindeutig ein dazugehöriges Absorptionssignal zugeordnet werden kann. Hochgradig optisch gesättigte Substanzen weisen keine bzw. nahezu keine Absorption (Anm. seitens der Erfinder: natürlich ist es prinzipiell unmöglich, das System zu 100% zu sättigen, da dies nur bei unendlich hoher Lichtintensität möglich wäre - nahezu kann auch sinngemäß die Bedeutung haben von: hochgradig optisch gesättigte Substanzen weisen nur noch vernachlässigbare Absorption auf, sie sind optisch transparent) mehr auf, sie werden optisch transparent. Ein bewusstes Sättigen durch besonders starke Intensität führt dazu, dass im Fall der Kreuzempfindlichkeit eine störende Substanz bzw. im Falle der quantitativen Analyse einer Gasmischung einer der Zielsubstanzen für die Messung transparent wird.  The special feature of the method according to the invention for measuring the absorption of trace gases by means of selective optical saturation lies in the fact that the absorption of the sample is specifically measured at different intensities of the light irradiation. The systematic use of different light intensities ensures that the different species in the sample become highly optically saturated. It plays a minor role, whether the light intensity is varied gradually or continuously, as long as a specific light intensity can be assigned a unique absorption signal. Highly optically saturated substances have no or almost no absorption (note from the inventors: of course it is in principle impossible to saturate the system to 100%, since this would be possible only at infinitely high light intensity - almost can also have the meaning of : highly optically saturated substances have only negligible absorption, they are optically transparent) more, they become optically transparent. Conscious saturation due to particularly intense intensity means that, in the case of cross-sensitivity, an interfering substance or, in the case of quantitative analysis of a gas mixture of one of the target substances, becomes transparent for the measurement.
Durch Messung von Absorptionssignalen bei mindestens zwei Intensitäten, die zu  By measuring absorption signals at least two intensities, the
unterschiedlichen Sättigungsgraden von in der Mischung vorhandenen Spurengases führen, ist es mit dem 2S1 W-Verfahren möglich, zwei unterschiedliche Spezies mit nur einer Wellenlänge, also ohne Aufnahme eines Absorptionsspektrums, getrennt zu detektieren. Im Idealfall gelingt es, die Absorption der leichter optisch sättigbaren Komponente mit niedriger lead to different levels of saturation of trace gas present in the mixture, it is possible with the 2S1 W method, separately detected two different species with only one wavelength, so without absorption of an absorption spectrum. Ideally, it is possible to lower the absorption of the more optically saturable component
Sättigungsintensität auszuschalten bzw. nahezu komplett auszuschalten während die Absorption der schwieriger zu sättigenden Komponente mit hoher Sättigungsintensität erhalten bleibt. Durch einfache Differenzbildung können dann die Absorptionen beider Komponenten ermittelt werden. Entscheidend für das erfindungsgemäße Verfahren ist also, dass eine selektive Sättigung einer der beiden Komponenten gelingt und damit ein hoher Switch saturation intensity off or almost completely turn off while the Absorption of the more difficult to saturate component with high saturation intensity is maintained. By simple subtraction then the absorptions of both components can be determined. It is therefore crucial for the method according to the invention that a selective saturation of one of the two components succeeds, and thus a higher one
Sättigungskontrast erzielt wird. Im allgemeinen Fall, bei denen die Sättigungsintensitäten der unterschiedlichen Komponenten nicht hinreichend stark voneinander abweichen, gelingt der getrennte Nachweis nur in eingeschränkten Umfang. Bei geringer Lichtintensität wird aber nach wie vor die Summe der Absorptionen aller Spezies und bei hoher Lichtintensität vorzugsweise die Absorption der weniger leicht sättigbaren Komponenten gemessen. Die Bestimmung der einzelnen Konzentrationen ist in diesem Fall durch Modellierung der für unterschiedliche Lichtintensitäten gemessenen Gesamtabsorption möglich. Saturation contrast is achieved. In the general case, in which the saturation intensities of the different components do not differ sufficiently from each other, the separate detection succeeds only to a limited extent. At low light intensity, however, the sum of the absorptions of all species is still measured, and preferably the absorption of the less readily saturable components is measured at high light intensity. The determination of the individual concentrations is possible in this case by modeling the total absorption measured for different light intensities.
Prinzipiell können das nichtgesättigte und das gesättigte Absorptionsspektrum getrennt hintereinander in einer normalen Absorptionszelle aufgenommen werden. Dafür eignen sich grundsätzlich alle Absorptionsspektroskopie-Verfahren einschließlich der Modulationsverfahren. Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich somit mit allen Spektrometern betreiben, es bedarf nur einer entsprechend anderen Verwendung bzw. Anwendung.  In principle, the non-saturated and the saturated absorption spectrum can be recorded separately in a normal absorption cell. In principle, all absorption spectroscopy methods including the modulation methods are suitable for this purpose. The method according to the invention can thus be operated with all spectrometers; it requires only a correspondingly different use or application.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand von Diagramm 1 in einer bevorzugten  The method according to the invention will be described with reference to diagram 1 in a preferred
Ausführungsform für eine Gasmischung zweier Komponenten, die sich in einer einfachen Absorptionszelle befindet, erläutert. Mit steigender Lichtintensität bzw. Lichtleistung nimmt die auf dem Maximum zweier überlagerter Absorptionslinien gemessene Gesamtabsorption ab, da die leichter optisch sättigbare Komponente zunehmend transparent wird. Durch Modellierung der gemessenen Absorption-Intensitätskurve lassen sich die Beiträge der Absorptionen und damit Konzentrationen beider Spezies quantitativ bestimmen. Die im Diagramm 1 ebenfalls dargestellten Absorptionsspektren der Reinsubstanzen und der Mischung dienen nur der Veranschaulichung der ausgewählten Wellenlänge des Nachweislichtes. Die eigentliche Messung gemäß 2S1W-Verfahres findet bei einer festgelegten Wellenlänge statt. Embodiment for a gas mixture of two components, which is located in a simple absorption cell explained. As the light intensity or light output increases, the total absorption measured at the maximum of two superimposed absorption lines decreases, since the more easily optically saturable component becomes increasingly transparent. By modeling the measured absorption intensity curve, the contributions of the absorptions and thus concentrations of both species can be determined quantitatively. The absorption spectra of the pure substances and of the mixture likewise shown in diagram 1 serve only to illustrate the selected wavelength of the detection light. The actual measurement according to 2S1W method takes place at a fixed wavelength.
Im Vergleich zum bisherigen Stand der Technik der linearen Absorptionsspektroskopie erlaubt es diese 2S1W-Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens selbst bei der Verwendung einer Lichtquelle mit fester Wellenlänge gleichzeitig zwei Spezies der in der Probe vorhandenen Spurengase getrennt voneinander nachzuweisen bzw. eine durch eine zweite Substanz bedingte Kreuzempfindlichkeit zu unterdrücken. Anders als bei Verfahren, die auf Linienformanalyse zweier teilweise überlappender Substanzen beruhen, gelingen die 2S1 W- Messung auch dann, wenn zwei Absorptionslinien komplett spektral überlappen.  In comparison to the prior art of linear absorption spectroscopy, this 2S1W embodiment of the method according to the invention allows simultaneous detection of two species of the trace gases present in the sample, even when using a fixed wavelength light source, or a cross sensitivity due to a second substance suppress. Unlike methods based on line shape analysis of two partially overlapping substances, the 2S1 W measurement is successful even when two absorption lines completely overlap spectrally.
Zusätzlich zur reinen Variation der Lichtintensität kann zur Erhöhung des Sättigungskontrastes der Gasmischung innerhalb substanzspezifischer Grenzen ein weiteres, nicht-absorbierenden Puffergas hinzugefügt werden. Dieses beeinflusst durch Energietransfereffekte die Relaxationszeiten der durch die Strahlungsabsorption energetisch angeregten Analytmoleküle und damit auch die absoluten Werte der Sättigungsintensitäten der in der Gasmischung vorhandenen Spurengase. Erfolgt die Beeinflussung der Sättigungsintensität in In addition to the pure variation in light intensity, to increase the saturation contrast of the gas mixture within substance-specific limits, another non-absorbing buffer gas may be added. This influences the energy transfer effects Relaxation times of the energetically excited analyte molecules by the radiation absorption and thus also the absolute values of the saturation intensities of the trace gases present in the gas mixture. If the saturation intensity is influenced in
unterschiedlichem Maße, lässt sich auf diese Weise substanzspezifisch der Sättigungsgrad der unterschiedlichen Spezies in der Gasmischung optimieren. In this way, the degree of saturation of the different species in the gas mixture can be optimized substance-specifically.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden komplette Absorptionsspektren gemessen. Es ergibt sich eine neue Art der zweidimensionalen Absorptionsspektroskopie (2D-LASSS-Verfahren, 2D laser absorption selective Saturation spectroscopy), bei der die gemessene Absorption als Funktion der Wellenlänge und der Lichtintensität dargestellt wird. Die unter systematisch variierter Lichtintensität gemessenen Absorptionsspektren können hinsichtlich Sättigung bzw. Nichtsättigung klassifiziert und somit quantitativ verschiedenen Spurengase zugeordnet werden. Wichtig für die Genauigkeit des Verfahrens ist es, dass es jeweils bei bestimmten Wellenlängen zu einer selektiven Sättigung einer der vorliegenden Komponenten kommt. In diesem Fall erlaubt es die durch die zusätzliche Messvariable der Lichtintensität erhaltene Information im Vergleich zum bisherigen Stand der Technik besser, Kreuzempfindlichkeiten zu identifizieren und zu unterdrücken sowie die  In a further preferred embodiment of the method according to the invention complete absorption spectra are measured. The result is a new type of two-dimensional absorption spectroscopy (2D-LASSS method, 2D laser absorption selective saturation spectroscopy) in which the measured absorption is represented as a function of wavelength and light intensity. The absorption spectra measured under systematically varied light intensity can be classified in terms of saturation or unsaturation and thus quantitatively assigned to different trace gases. It is important for the accuracy of the method that at certain wavelengths a selective saturation of one of the present components occurs. In this case, the information obtained by the additional measurement variable of the light intensity makes it possible to better identify and suppress cross-sensitivities as compared with the prior art
Zusammensetzung komplexerer Mischungen von Spurengasen genauer zu analysieren. More detailed analysis of the composition of more complex mixtures of trace gases.
Für die Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens bieten optische Resonatoren, wie sie bei den bekannten spektroskopischen Verfahren CEAS und CRDS zum Einsatz kommen, den Vorteil, dass mit ihnen die Lichtintensität einer spektral schmalbandigen Lichtquelle im  For the implementation of the method according to the invention provide optical resonators, as used in the known spectroscopic method CEAS and CRDS, the advantage that with them the light intensity of a spectrally narrow-band light source in
Resonator verstärkt werden kann und somit auch mit leistungsschwachen Strahlquellen die benötigten hohen Lichtintensitäten realisiert werden können. Resonator can be amplified and thus the high light intensities required can be realized even with low-power beam sources.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform eines auf dem erfindungsgemäßen Verfahren basierenden Spektrometers wird die Aufgabe des simultanen Speziesnachweises bzw. der Unterdrückung der Kreuzempfindlichkeit mittels Anwendung der bekannten Saturated-CRDS- Methodik gelöst. Ein solcher optionaler experimenteller Aufbau ist bspw. in der Veröffentlichung von Ibrahim Sadiek und Gernot Friedrichs„Saturation Dynamics and Working Limits of  In a further preferred embodiment of a spectrometer based on the method according to the invention, the object of simultaneous species detection or suppression of cross sensitivity is achieved by applying the known saturated CRDS methodology. Such an optional experimental setup is, for example, in the publication by Ibrahim Sadiek and Gernot Friedrichs "Saturation Dynamics and Working Limits of
Saturated Absorption Cavity Ringdown Spectroscopy“ im Journal Physical Chemistry Chemical Physics, Band-Nr.18, 2016, Seiten 22978 bis 22989 und in Patenten beschrieben. Saturated Absorption Cavity Ringdown Spectroscopy "in Journal Physical Chemistry Chemical Physics, Vol. 18, 2016, pp. 22978 to 22989 and in patents.
In der bevorzugten Ausführungsform der Saturated-CRDS wird das schnelle, typischerweise auf der ps-Zeitskala beobachtete Abklingen der Lichtintensität im optischen Resonator zur  In the preferred embodiment of the Saturated CRDS, the rapid decay of light intensity in the optical resonator, typically observed on the ps time scale, becomes
Bestimmung der Gesamtabsorption der Probe bei unterschiedlichen Lichtintensitäten gemäß der 2S1W-Variante ausgenutzt. Dabei wird die anfängliche Lichtintensität hoch genug gewählt, um mindestens eines der in der Gasmischung enthaltenen zwei (oder mehreren) Spurengase optisch zu sättigen. Während des Abklingens der Lichtintensität im Resonator nimmt graduell der Sättigungszustand der Probe ab. Das führt zu einer erhöhten Absorption und damit einer beschleunigten Abnahme der Lichtintensität. Durch Modellierung der gesamten gemessenen Abklingkurve der Lichtintensität im optischen Resonator (der sogenannten Ringdown-Kurve) können somit die Konzentrationen unterschiedlicher Spurengase mit hinreichend Determination of the total absorption of the sample at different light intensities according to the 2S1W-variant. In this case, the initial light intensity is selected to be high enough to optically saturate at least one of the two (or more) trace gases contained in the gas mixture. During the decay of the light intensity in the resonator, the saturation state of the sample gradually decreases. This leads to an increased absorption and thus a accelerated decrease in light intensity. By modeling the total measured decay curve of the light intensity in the optical resonator (the so-called ring-down curve), the concentrations of different trace gases can therefore be sufficiently determined
unterschiedlicher Sättigungsintensität bestimmt werden oder zuvor unbekannte different saturation intensity can be determined or previously unknown
Kreuzempfindlichkeiten aufgedeckt werden. Im Gegensatz zu allen bisher beschriebenen Saturated-CRDS-Spektrometern, die auf eine gesteigerte Empfindlichkeit für den quantitativen Nachweis eines einzelnen Spurengases abzielen, ermöglicht die beschriebene bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens die quasi simultane Bestimmung der Konzentrationen zweier (oder mehrerer) Spezies mit überlappenden Absorptionslinien. Cross sensitivities are revealed. In contrast to all previously described saturated CRDS spectrometers, which aim at increased sensitivity for the quantitative detection of a single trace gas, the described preferred embodiment of the inventive method allows the quasi-simultaneous determination of the concentrations of two (or more) species with overlapping absorption lines.
Anders als in der bereits genannten Veröffentlichung„Theory of saturated-absorption cavity ring-down: radiocarbon dioxide detection, a case study”, Journal of the Optical of America B, G. Giusfredi, et al. , received 21 May 2015, accepted 14 July 2015 (Doc. ID 241162); published 1 October 2015 und der Druckschrift WO 2017/055606 A1„Method for measuring the  Unlike in the previously cited publication "Theory of saturated-absorption cavity ring-down: radiocarbon dioxide detection, a case study", Journal of the Optical of America B, G. Giusfredi, et al. , received 21 May 2015, accepted 14 July 2015 (Doc ID 241162); published 1 October 2015 and document WO 2017/055606 A1 "Method for measuring the
concentration of trace gases by SCAR spectroscopy“ ausgeführt, beruht das hier vorgestellte erfindungsgemäße Verfahren auf einer gezielten, selektiven optischen Sättigung einer der Mischungskomponenten und ist auch ohne die dort beschriebene globale spektrale Fitprozedur bei Messungen mit nur einer Detektionswellenlänge anwendbar. Das erfindungsgemäße Verfahren berücksichtigt also nicht nur die literaturbekannte Superposition der Signalbeiträge unterschiedlicher Spezies, sondern schaltet gezielt durch Wahl der Anfangsintensität und des optionalen, nicht-absorbierenden zusätzlichen Stoßpartners die Signalbeiträge einer der Komponenten zu bestimmten Zeiten des Ringdownsignals aus. The method according to the invention presented here is based on a targeted, selective optical saturation of one of the mixture components and can also be used for measurements with only one detection wavelength even without the global spectral fit procedure described therein. Thus, the method according to the invention not only takes into account the superposition of the signal contributions of different species known from the literature, but deliberately switches off the signal contributions of one of the components at specific times of the ring-down signal by selecting the initial intensity and the optional non-absorbing additional collision partner.
Anhand von zwei weiteren Diagrammen 2 und 3 wird die Erfindung in der bevorzugten Form der Saturated-CRDS am Beispiel des simultanen Nachweises zweier Spurengase in einer  On the basis of two further diagrams 2 and 3, the invention in the preferred form of Saturated CRDS on the example of the simultaneous detection of two trace gases in one
Gasmischung erläutert. Gas mixture explained.
Diagramm 2 erläutert die simultane Aufnahme der Absorptionsspektren von zwei Substanzen mit Hilfe der bevorzugten Ausführungsform der Saturated-CRDS. Die Aufgabe des getrennten Stoffnachweises wird dadurch gelöst, das die Auswertung der gemessenen Ringdown-Kurven direkt für jeden Messpunkt und im Sinne der 2S1W-Variante die reinen Absorptionssignale der beiden Substanzen in getrennten Messkanälen liefert. Diagramm 2 zeigt, dass Messkanal 1 (optisch nicht gesättigter Messkanal) beim Durchstimmen der Wellenlänge des Nachweislichtes zuverlässig das Spektrum der Substanz mit hoher Sättigungsintensität liefert. Messkanal 2 (optisch gesättigter Messkanal) liefert hingegen das Spektrum der Substanz mit niedriger Sättigungsintensität. Obwohl zur Erläuterung der Methodik in Diagramm Spektren gezeigt sind, gelingt der Nachweis der beiden Sustanzen auch bei einer ausgewählten Wellenlänge mit festfrequenter Lichtquelle. Diagramm 3 erläutert den quantitativen Nachweis eines nachzuweisenden Spurengases beim Vorliegen einer Kreuzempfindlichkeit. Im Beispiel erfolgt die Messung der Absorption bei einer festen Wellenlänge, die auf dem Maximum des überlagerten Absorptionsspektrums eingestellt ist, so dass die Absorption der nachzuweisenden Spezies ganz bewusst stark durch die Störabsorption des zweiten Spurengases überlagert ist. Im Gegensatz zu einem linearen Absorptionsverfahren, bei dem es durch die Überlagerung beider Absorptionen nicht möglich ist, die Konzentration des nachzuweisenden Spurengases quantitativ zu bestimmen, liefert Messkanal 1 , der hier der Messung bei hoher Intensität entspricht, trotz der vorliegenden Kreuzempfindlichkeit mit der leichter sättigbaren Komponente über einen weiten dynamischen Arbeitsbereich den erwarteten linearen Zusammenhang zwischen Messsignal und Diagram 2 illustrates the simultaneous acquisition of the absorption spectra of two substances using the preferred embodiment of the Saturated CRDS. The task of separate substance detection is solved by the evaluation of the measured ring-down curves directly for each measurement point and in the sense of the 2S1W variant delivers the pure absorption signals of the two substances in separate measurement channels. Diagram 2 shows that measuring channel 1 (optically non-saturated measuring channel) reliably delivers the spectrum of the substance with high saturation intensity when tuning the wavelength of the detection light. Measuring channel 2 (optically saturated measuring channel), on the other hand, supplies the spectrum of the substance with low saturation intensity. Although spectra are shown to illustrate the methodology in the diagram, the detection of the two substances is also possible at a selected wavelength with a fixed-frequency light source. Diagram 3 illustrates the quantitative detection of a trace gas to be detected in the presence of cross sensitivity. In the example, the absorption is measured at a fixed wavelength, which is set at the maximum of the superimposed absorption spectrum, so that the absorption of the species to be detected is quite deliberately superimposed by the spurious absorption of the second trace gas. In contrast to a linear absorption method in which it is not possible to quantitatively determine the concentration of the trace gas to be detected by superimposing both absorptions, measuring channel 1, which here corresponds to the measurement at high intensity, provides despite the present cross-sensitivity with the more easily saturable component over a wide dynamic range the expected linear relationship between measuring signal and
Konzentration des nachzuweisenden Spurengases. Es gelingt also im erläuterten Beispiel Chlormethan quantitativ nachzuweisen obwohl eine ausgeprägte Kreuzempfindlichkeit mit Methan besteht.  Concentration of the trace gas to be detected. Thus, in the illustrated example, it is possible to quantitatively detect chloromethane although there is a pronounced cross-sensitivity with methane.
Für Messungen und die Analyse komplexer Gasmischungen gemäß des erfindungsgemäßen 2D-LASSS-Verfahrens eignet sich die Ausführungsform der Saturated-CRDS weniger, da die für die Modellierung des gemessenen Ringdown-Signals wichtige Entkopplung der  For measurements and the analysis of complex gas mixtures according to the 2D-LASSS method according to the invention, the embodiment of the Saturated-CRDS is less suitable because the decoupling important for the modeling of the measured ring-down signal
unterschiedlichen Sättigungsintensitäten, die durch selektive Sättigung erreicht werden muss, nicht sichergestellt werden kann. In diesem Fall ist es notwenig, wie in der Druckschrift WO 2017/055606 A1 dargelegt, Kalibrierungsmessungen für die unterschiedlichen Spezies durchzuführen und globale spektrale Fitprozeduren anzuwenden. Die bevorzugte different saturation intensities, which must be achieved by selective saturation, can not be ensured. In this case, as set forth in document WO 2017/055606 A1, it is necessary to perform calibration measurements for the different species and to apply global fit spectral procedures. The preferred
Ausführungsform für 2D-LASSS-Messungen ist vielmehr die Verwendung einfacher The embodiment for 2D-LASSS measurements is much easier to use
Absorptionszellen, wobei die Messung mit systematisch variierter Intensität und optionaler Zugabe eines weiteren Stoßpartners zur Variation der Sättigungsintensitäten durchgeführt wird. Absorption cells, wherein the measurement is performed with systematically varied intensity and optional addition of another collision partner for varying the saturation intensities.

Claims

A N S P R Ü C H E
1. Verfahren 1. Procedure
- zur Unterdrückung der Kreuzempfindlichkeit bei der Konzentrationsbestimmung eines Spurengases, dessen Absorptionen und/oder dessen Absorptionsspektren von wenigstens einer weiteren Komponente gestört wird,  to suppress the cross-sensitivity in determining the concentration of a trace gas whose absorptions and / or absorption spectra are disturbed by at least one further component,
und/oder  and or
- zur simultanen Konzentrationsbestimmung von Spurengasen in einer Probe durch Messung von Absorptionen bzw. von Absorptionsspektren,  for the simultaneous determination of the concentration of trace gases in a sample by measuring absorptions or absorption spectra,
jeweils bei der Lichtbestrahlung der Probe,  each at the light irradiation of the sample,
gekennzeichnet durch  marked by
das Messen der Absorptionen und/oder Absorptionsspektren bei unterschiedlichen Intensitäten der Lichtbestrahlung, wobei die Lichtintensität über einen festgelegten Bereich systematisch variiert wird, wobei dies zu einer selektiven optischen Sättigung wenigstens einer der absorbierenden Komponenten führt.  measuring the absorbances and / or absorption spectra at different intensities of light irradiation, wherein the light intensity is systematically varied over a predetermined range, resulting in selective optical saturation of at least one of the absorbing components.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , 2. The method according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
die Lichtintensität bei fester Wellenlänge des Nachweislichtes über einen festgelegten Bereich systematisch variiert wird und die Konzentration des Spurengase oder der Spurengase in der Probe durch Modellierung der Absorptions-Intensitäts-Kurve ermittelt werden (2S1W-Verfahren).  the light intensity at fixed wavelength of the detection light is systematically varied over a fixed range and the concentration of trace gas or trace gases in the sample is determined by modeling the absorption-intensity curve (2S1W method).
3. Verfahren nach Anspruch 1 , 3. The method according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
die Absorptionsspektren zur selektiven Sättigung der unterschiedlichen Komponenten mit über einen festgelegten Bereich systematisch variierter Lichtintensität des  the absorption spectra for the selective saturation of the different components with a systematically varied light intensity over a defined range
Nachweislichtes gemessen werden und die Zusammensetzung der Gasmischung durch Modellierung der Messdaten für Absorption, Wellenlänge und Lichtintensität ermittelt wird (2D-LASSS-Verfahren).  Detection light is measured and the composition of the gas mixture by modeling the measurement data for absorption, wavelength and light intensity is determined (2D LASSS method).
4. Verfahren nach Anspruch 3, 4. The method according to claim 3,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
zur Aufnahme der Absorptions-Lichtintensitäts-Kurven die Ausführungsform der  for recording the absorption light intensity curves, the embodiment of the
Saturated-CRDS angewendet wird. Saturated CRDS is applied.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, 5. The method according to any one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
zur Verbesserung des Sättigungskontrastes der Gasmischung ein weiteres, nicht- absorbierendes Gas hinzugegeben wird, das zu einer substanzspezifischen Variation der Sättigungsintensitäten führt.  To improve the saturation contrast of the gas mixture, a further, non-absorbing gas is added, which leads to a substance-specific variation of the saturation intensities.
PCT/DE2019/100468 2018-05-28 2019-05-27 Method for suppressing the cross sensitivity when detecting a trace gas and/or for simultaneously measuring the concentration of a plurality of trace gases by selective optical saturation spectroscopy WO2019228593A1 (en)

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