DE102019131698A1

DE102019131698A1 - System und Verfahren zur Analyse von Flüssigkeiten

Info

Publication number: DE102019131698A1
Application number: DE102019131698.7A
Authority: DE
Inventors: Andreas Bräuer
Original assignee: Technische Universitaet Bergakademie Freiberg
Current assignee: Technische Universitaet Bergakademie Freiberg
Priority date: 2019-11-22
Filing date: 2019-11-22
Publication date: 2021-05-27
Anticipated expiration: 2039-11-23
Also published as: DE102019131698B4

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.

Description

Die Erfindung betrifft ein System zur Analyse von Flüssigkeiten. Sie betrifft ferner ein Verfahren zur Analyse von Flüssigkeiten, insbesondere mittels des erfindungsgemäßen Systems.
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.
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).
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.
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.
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.

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.
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.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1, 13 und 15 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindungen ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Das erfindungsgemäße System kann eine Pumpe zur Förderung einer Flüssigkeit in dem Kanal der Leitungseinrichtung aufweisen.
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.
Nach Maßgabe der Erfindung ist ferner ein Verfahren zur Analyse von Flüssigkeiten vorgesehen. Das Verfahren umfasst die Schritte

(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;
(b) Leiten von Licht in den mit der Flüssigkeit gefüllten Kanal der Leitungseinrichtung; und
(c) Detektieren von Strahlung, die von der Flüssigkeit in dem Kanal gestreut und/oder emittiert wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgeführt werden.
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.
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.
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.
Weitere Einzelheiten des erfindungsgemäßen Verfahrens sind vorstehend im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen System erläutert worden. Es wird auf diese Einzelheiten verwiesen.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Weitere Einzelheiten der erfindungsgemäßen Verwendung sind vorstehend im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen System erläutert worden. Es wird auf diese Einzelheiten verwiesen.
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.

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.
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.
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).
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.
Die in 5 gezeigte zweite Ausführungsform einer Leitungseinrichtung 1 entspricht der in 1 gezeigten Leitungseinrichtung, außer dass sie einen spiralförmigen Abschnitt aufweist.
Beispiel 1
Herstellung einer Leitungseinrichtung aus einem Aerogel-Monolithen
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.
Beispiel 2
Verwendung der Leitungseinrichtung in einem Raman-Spektrometer
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.
Vergleichsbeispiel 1
Verwendung von verspiegelten Hohlkapillaren in einem Raman-Spektrometer
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.
Bezugszeichenliste

1: Leitungseinrichtung
2: Rohr
3: Mantel
4: Kanal
5a: erste Stirnseite
5b: zweite Stirnseite
6: Anschlusselement
7: Grundkörper
8a: erste Öffnung
8b: zweite Öffnung
8c: dritte Öffnung
9: Ansatz
10: Fenster
10a: Innenseite
11: Innenraum
12: Anschlussleitung
21: System
22: Laser
23: Filter
24: Linse
25: Spiegel
26: Linse
27: Linse
28: Filter
29: Detektor
30: Gehäuse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2009/128995 A1 [0007]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

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Claims

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 nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel (3) aus dem Aerogel besteht.
System nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Aerogel hydrophob oder hydrophil ist.
System nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (4) einen Querschnitt aufweist, der 0,5 mm oder größer ist.
System nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (4) zumindest einen gekrümmten Abschnitt aufweist.
System nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (4) zumindest einen spiralförmigen Abschnitt aufweist.
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 nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (2) aus einem Kunststoff besteht.
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 nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das System (21) einen Einlass für die Flüssigkeit in den Kanal (4) aufweist.
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 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.
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.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit kontinuierlich durch den Kanal (4) geleitet wird.
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.