Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4767
Main Title: Gassensorik mit Terahertz Heterodynspektrometern für Anwendungen in Sicherheit, Medizin und Weltraum
Translated Title: Gas sensors with terahertz heterodyne spectrometers for applications in safety, medicine and space
Author(s): Neumaier, Philipp Franz-Xaver
Advisor(s): Hübers, Heinz-Wilhelm
Referee(s): Hübers, Heinz-Wilhelm
Wöllenstein, Jürgen
Esser, Norbert
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Die Terahertz (THz) Molekülspektroskopie kann für die Gassensorik eingesetzt werden, da viele gasförmige Chemikalien Absorptionslinien im THz-Bereich besitzen. Eine Quelle erzeugt dabei THz-Strahlung, aus der das Gas molekülspezifische Frequenzanteile absorbiert, sodass der Empfänger ein Spektrum aufnimmt, welches sich wie ein Fingerabdruck eindeutig dem Gas zuordnen lässt. Gassensoren können vielfältig eingesetzt werden. Im Sicherheitsbereich können sie dazu verwendet werden, um toxische Gase und Industriechemikalien, so genannte TICs zu erkennen. Letztere sind weltweit in großen Mengen verfügbar und bergen deshalb ein erhöhtes Unfall- und Terrorismusrisiko. In der Medizin können Gas-Sensoren beispielsweise zur nicht-invasiven Erkennung von Atemgas-Biomarkern eingesetzt werden. Das sind flüchtige organische Verbindungen (VOCs), die auf Krankheiten wie Lungenkrebs oder Diabetes hinweisen. Auch in der Weltraumforschung werden THz-Empfänger schon lange dazu verwendet, Molekülemissionsspektren von astronomischen Objekten wie Kometen, Planeten oder Galaxien aufzunehmen, um deren Zusammensetzung zu bestimmen oder nach außerirdischem Leben zu suchen. Ein Gassensor kompakt, kostengünstig sowie wiederverwendbar sein und Gase sensitiv und selektiv detektieren können und dabei von Nicht-Fachleuten bedienbar sein. Im Rahmen dieser Arbeit wurden für obige Anwendungsbeispiele drei THz-Heterodynspektrometer für die Frequenzbereiche um 245 GHz, 500 GHz und 557 GHz aufgebaut, da viele Moleküle mit Relevanz in Medizin, Sicherheit und Weltraum dort Absorptionslinien besitzen. Die Spektrometer bestehen aus kompakten Tansmittern und Empfängern aus monolithischen Mikrowellen Schaltkreisen (MMICs) unter anderem in der kostengünstigen SiGe-Technologie. In einer Gasabsorptionszelle wurden die Analyten mit Pumpen auf einen Druck zwischen 0,01 und 50 mbar gebracht und spektroskopiert. Es konnten hochaufgelöste Absorptionsspektren von VOCs, TICs und Biomarkern aufgenommen werden, welche aufgrund ihres moleülspezifischen, spektralen Fingerabdrucks eine hohe Selektivität gewährleisten. Zur Verifikation der gemessenen Spektren wurde im Rahmen der Arbeit ein Simulationsprogramm entwickelt, das Spektren von Gasen und deren Mischungen simuliert. Die THz-Spektrometer können Absorptionslinien von Gasen mit einem integrierten Absorptionskoeffizienten von minimal 1E-25 cm messen und sind daher sehr sensitiv. Außerdem wurden die Spektrometer hinsichtlich ihrer Grenzempfindlichkeiten miteinander verglichen. Bei medizinischen und sicherheitsbezogenen Anwendungen liegen die Gase jedoch typischerweise in Luft unter Atmosphärendruck vor, was scharfe spektrale Merkmale zerstört. Deshalb wurde ein Gas-Konzentrator auf Basis eines Kohlenstoff-Molekularsiebs hergestellt, welcher erfolgreich VOCs aus Luft-Gemischen extrahieren kann. Für die automatisierte Spektrenauswertung und um die Bedienbarkeit für Laien zu gewährleisten, wurden die THz-Spektren mittels multivariater Datenanalyse (MVA) ausgewertet. Es wurden Vorhersagemodelle für die qualitative und quantitative Substanzerkennung erstellt. Unter Verwendung der Principal Components Analysis (PCA), der Partial Least-Squares Regression (PLS) und Soft Independent Modelling of Class Analogy (SIMCA) konnten Mengenanteile in Gasgemischen mit einer Unsicherheit kleiner 2% vorhergesagt werden. Damit ist ein kompakter, kostengünstiger, sensitiver, selektiver und wiederverwendbarer Gassensor realisierbar. Perspektivisch wird eine Vollintegration der Komponenten unter Verwendung einer Hohlleiter-Absorptionszelle zu einer weiteren Verkleinerung der Sensoren führen.
Terahertz (THz) molecular spectroscopy can be used to construct a gas sensor since many gas-phase molecules have absorption lines in the THz frequency range. A gas absorbs specific frequencies of the THz radiation emitted by a source, resulting in a spectral fingerprint. Gas sensors can be applied in many ways, for example as a safety sensor to detect toxic industrial chemicals. These so called TICs are globally available in large amounts and entail the risk of an accidental release or terroristic abuse, due to this high availability. In medicine, gas sensors can be used as non-invasive detection method for breath biomarkers. These are volatile organic compounds (VOCs) which can indicate diseases like lung cancer or diabetes. Another application is the determination of the molecular composition of astronomical objects like comets, planets or galaxies with THz receivers. A gas sensor should be compact, cheap and reusable and has to sensitively and selectively detect gases in an easy way. As part of this work, three THz heterodyne spectrometers were constructed, operating at frequencies around 245 GHz, 500 GHz and 557 GHz, since many molecules regarding an application in medicine, safety or astronomy have absorption lines there. The spectrometers consist of compact transmitter and receiver chips, made from monolithic microwave integrated circuits (MMICs), partially in the low-priced SiGe technology. For the gas detection, the analyte was injected in the gas absorption cell and the pressure was adjusted in a range between 0.01 and 50 mbar with pumps. As a result, high-resolution spectra of VOCs, TICs and biomarkers could be recorded. This warranted a high selectivity, due to the unique molecule specific spectral fingerprints. To verify the measured spectra, a simulation program was developed, which calculates transmission spectra of substances and mixtures. The spectrometers are very sensitive, since gas absorption lines with integrated absorption coefficients as low as 1E-25 cm can be measured. All spectrometers were characterized and mutually compared regarding their sensitivity. Regarding a medical or security application, the gases are mixed with air at atmospheric pressure, which is blurring the sharp spectral features. To avoid this problem a gas preconcentrator consisting of a carbon molecular sieve was designed, which successfully extracted VOCs out of the air-mixtures. To maintain an easy usability and automatic spectral analysis, the THz spectra were processed with multivariate algorithms. Prediction models for a qualitative and quantitative detection were calculated. With principal components analysis (PCA), partial least squares (PLS) regression and soft independent modeling of class analogy (SIMCA), the amounts of a substance in a gas mixture could be predicted with an uncertainty of less than 2%. Consequently, a compact, cheap, sensitive and reusable gas sensor is feasible. In perspective, a system with fully integrated components in a waveguide gas absorption cell will result in a further miniaturization.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-73056
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/5064
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4767
Exam Date: 23-Sep-2015
Issue Date: 21-Oct-2015
Date Available: 21-Oct-2015
DDC Class: 535 Licht, Infrarot- und Ultraviolettphänomene
Subject(s): THz Molekülspektroskopie
Gas-Sensor
multivariate Analyse
Preconcentrator
THz molecular spectroscopy
gas sensor
multivariate analysis
preconcentrator
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/de/
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