Neue Entwicklungen bei Thermischen Infrarot Strahlern für industrielle Spektroskopie

Thermische Infrarot Strahler sind heute ein unverzichtbares Werkzeug in der modernen industriellen Spektroskopie. Wir beobachten, dass sich diese Technologie durch beeindruckende Eigenschaften auszeichnet: Die Infrarot-Strahlungsquellen funktionieren als pulsierbare thermische Strahler mit einer nahezu Schwarzkörperemittanz und bieten gleichzeitig eine hohe Stabilität mit minimaler Drift bei konstantem Widerstand.

Besonders im mittleren Infrarot (MIR) mit Wellenlängen von 3–20 μm zeigen viele Gase und Flüssigkeiten starke und molekülspezifische Absorptionsstrukturen. Dies gilt insbesondere für den sogenannten “Fingerprint-Bereich” mit Wellenlängen von 8 bis 12 μm. In diesem Artikel betrachten wir die neuesten Entwicklungen bei IR-Strahlern, ihre technischen Eigenschaften sowie vielversprechende industrielle Anwendungen in verschiedenen Bereichen. Unsere Analyse umfasst sowohl grundlegende Prinzipien der thermischen Infrarotstrahlung als auch fortschrittliche Technologien wie MEMS-basierte und miniaturisierte IR-Strahler für die mobile Sensorik.

Grundlagen der thermischen Infrarotstrahlung

Infrarotstrahlung bildet einen wesentlichen Teil des elektromagnetischen Spektrums und erstreckt sich von 780 Nanometer bis 1 Millimeter Wellenlänge. Diese unsichtbare Strahlung, die sich an das langwellige Ende des sichtbaren Lichts anschliesst, spielt in zahlreichen spektroskopischen Anwendungen eine zentrale Rolle.

Wellenlängenbereiche: NIR, MIR und FIR

Die Unterteilung der Infrarotstrahlung erfolgt gemäss ISO 20473 in drei Hauptbereiche:

• Nahes Infrarot (NIR): Umfasst den Wellenlängenbereich von 780 nm bis 3,0 μm. Dieser Bereich wird weiter unterteilt in IR-A (780 nm bis 1,4 μm) und IR-B (1,4 μm bis 3,0 μm). Die Grenze bei 1,4 μm ist durch die stark zunehmende Wasserabsorption oberhalb dieses Wertes begründet.
• Mittleres Infrarot (MIR): Erstreckt sich von 3 μm bis 50 μm. Dieser Bereich entspricht dem IR-C nach der DIN-Definition und ist besonders relevant für thermische Strahler, da hier die Wärmestrahlung bei typischen irdischen Temperaturen auftritt.
• Fernes Infrarot (FIR): Reicht von 50 μm bis 1000 μm (1 mm) und grenzt an den Mikrowellenbereich. In diesem Bereich wird die kosmische 3-Kelvin-Strahlung sichtbar.

Allerdings existieren je nach Anwendungsgebiet und Norm verschiedene Einteilungen. Die thermischen Anwendungen wie NDIR-Gasanalyse und Pyrometrie verwenden häufig die Begriffe SWIR, MWIR und LWIR.

IR-aktive Moleküle und Dipolmomente

Ein fundamentales Prinzip der IR-Spektroskopie ist, dass nicht alle Moleküle mit Infrarotstrahlung wechselwirken können. Zunächst muss ein Molekül “IR-aktiv” sein. Dies bedeutet, dass es entweder ein veränderbares oder ein induzierbares Dipolmoment aufweisen muss. Bei der Wechselwirkung mit elektromagnetischer Strahlung muss im Molekül bewegte elektrische Ladung zur Verfügung stehen.

Besonders interessant ist das Beispiel von CO₂: Obwohl es aufgrund seiner linearen Symmetrie kein permanentes Dipolmoment besitzt, kann es dennoch durch IR-Licht zu einer antisymmetrischen Streckschwingung angeregt werden, wodurch ein dynamisches Dipolmoment entsteht. Dieses Phänomen ist für den Treibhauseffekt von entscheidender Bedeutung, da CO₂ dadurch IR-Strahlung von der Erde absorbieren und in alle Richtungen wieder abgeben kann.

Schwingungs- und Rotationsanregungen im Molekül

Trifft Infrarotstrahlung auf Moleküle, werden diese in Schwingung und Rotation versetzt. Diese molekularen Bewegungen lassen sich in verschiedene Arten unterteilen:

• Schwingungen: Hauptsächlich unterscheidet man Valenzschwingungen entlang der Bindungsachse und Deformationsschwingungen. Bei mehratomigen Molekülen treten zudem symmetrische und asymmetrische Varianten auf. Im NIR-Bereich beobachten wir vorwiegend Ober- und Kombinationsschwingungen, während im MIR-Bereich die Grundschwingungen dominieren.
• Rotationen: Diese treten auf, wenn das Molekül ein permanentes elektrisches Dipolmoment besitzt, ähnlich einer Antenne als Hertzscher Dipol. Die Rotationsfrequenz eines Moleküls ist etwa um den Faktor 10³ langsamer als seine Schwingungsfrequenz.

Unter quantenmechanischer Betrachtung wird bei Absorption eines IR-Lichtquants die Eigenschwingung des Moleküls verstärkt, wodurch es in einen energetisch höheren Zustand übergeht. Dieser Vorgang findet jedoch nur statt, wenn die Strahlungsfrequenz der natürlichen Eigenschwingungsfrequenz des Moleküls entspricht. Die Energie der Schwingung ist gequantelt und folgt der Gleichung E(n) = ħω₀(n + ½), wobei n die Schwingungsquantenzahl darstellt.

Für thermische Infrarotstrahler bedeutet dies, dass sie Strahlung in jenen Wellenlängenbereichen emittieren müssen, die von den Zielmolekülen absorbiert werden können. Dies ist das grundlegende Prinzip der industriellen IR-Spektroskopie und erklärt, warum verschiedene Anwendungsbereiche unterschiedliche Typen von IR-Strahlern erfordern.

Technische Eigenschaften moderner IR-Strahler

Die Leistungsfähigkeit moderner IR-Strahler wird durch mehrere technische Parameter bestimmt, die je nach Anwendungsgebiet unterschiedlich gewichtet werden. Besonders in der Spektroskopie sind spezifische Eigenschaften entscheidend für präzise Messungen.

Schwarzkörperemission und spektrale Effizienz

Moderne thermische IR-Strahler nähern sich in ihrem Emissionsverhalten einem idealen Schwarzkörperstrahler an. Diese Eigenschaft ermöglicht eine nahezu perfekte Schwarzkörperemittanz, was für spektroskopische Anwendungen entscheidend ist. Die Emissionseigenschaften variieren jedoch abhängig vom Wellenlängenbereich.

Bei der Strahlungsumwandlung zeigen hochwertige IR-Strahler einen bemerkenswerten Wirkungsgrad – bis zu 90% der eingesetzten elektrischen Energie wird in nutzbare Wärme umgewandelt. Dies steht im deutlichen Kontrast zu anderen Wärmequellen wie Gasheizpilzen, die lediglich 40% der Energie in brauchbare Strahlungswärme umsetzen.

Die spektrale Verteilung der Strahlung ist je nach Strahlertyp unterschiedlich. Langwellige IR-Strahler arbeiten bei Temperaturen bis zu 650°C, während mittelwellige Strahler Betriebstemperaturen bis zu 850°C erreichen. Kurzwellige IR-Strahler können sogar Temperaturen über 3000 Kelvin erzielen. Diese Unterschiede sind entscheidend für die Anwendungsauswahl, da das Absorptionsverhalten verschiedener Materialien wellenlängenabhängig ist.

Temperaturverhalten und Stabilität der Strahler

Ein wesentliches Qualitätsmerkmal moderner IR-Strahler ist ihre Temperaturstabilität. Hochwertige Systeme zeichnen sich durch minimale Drift bei konstantem Widerstand aus. Zudem bieten sie eine ausgezeichnete Unempfindlichkeit gegenüber Temperaturwechseln, was auf die geringe Wärmeausdehnung von Materialien wie Quarzglas zurückzuführen ist.

Die Reaktionszeit variiert erheblich zwischen verschiedenen Strahlertypen. Während kurzwellige IR-Strahler innerhalb einer Sekunde ihre volle Leistung erreichen, benötigen mittelwellige Strahler etwa eine Minute – bei Spezialheizwendeln sogar nur 35 Sekunden. Langwellige Systeme haben mit 2-3 Minuten die längste Aufheizzeit.

Die Lebensdauer ist ebenfalls ein kritischer Faktor: Langwellige IR-Strahler bieten etwa 30.000 bis 40.000 Betriebsstunden, mittelwellige Systeme erreichen 25.000 bis 30.000 Stunden, während kurzwellige Strahler mit etwa 5.000 Betriebsstunden die kürzeste Lebensdauer aufweisen.

Vergleich: Thermischer Strahler vs. Quantenkaskadenlaser

Die klassischen thermischen IR-Strahler und moderne Quantenkaskadenlaser (QCLs) unterscheiden sich fundamental in ihren Funktionsprinzipien und Leistungsmerkmalen. Während thermische Quellen Photonen über einen breiten Spektralbereich emittieren, konzentriert ein QCL nahezu alle Photonen auf eine eng begrenzte Wellenlänge.

Der auffälligste Unterschied liegt in der spektralen Leistungsdichte. QCLs übertreffen thermische Strahler um mehrere Grössenordnungen, was ein deutlich verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis ermöglicht. Dadurch kann auf die aufwändige Kühlung mit flüssigem Stickstoff verzichtet werden, die bei thermischen Systemen oft notwendig ist.

Zu den Vorteilen von QCLs zählen darüber hinaus:

• Hohe Strahlungsintensität und schnelle Amplituden- sowie Frequenzmodulation
• Polarisation und Kohärenz, die bei thermischen Strahlern nicht erreichbar sind
• Die Fähigkeit, Signale bei einzelnen Wellenzahlen ultraschnell und hochempfindlich zu erfassen

Dennoch behalten thermische Strahler ihre Berechtigung – besonders in Anwendungen, die ein breiteres Spektrum erfordern oder bei denen Kosteneffizienz im Vordergrund steht. Die Wahl zwischen beiden Technologien hängt somit massgeblich vom spezifischen Anwendungsfall ab.

Messmethoden in der industriellen IR-Spektroskopie

In der industriellen Spektroskopie kommen verschiedene Messmethoden zum Einsatz, die jeweils eigene Vor- und Nachteile bieten. Die Wahl der richtigen Technik hängt massgeblich von der Probenbeschaffenheit und den Anforderungen der jeweiligen Anwendung ab.

Transmission und Reflexion im Vergleich

Die Transmissionsmethode gilt als das ursprüngliche Verfahren in der IR-Spektroskopie. Hierbei durchdringt die Infrarotstrahlung die Probe vollständig, wobei bestimmte Frequenzbereiche absorbiert werden. Für transparente und schwach bis mittelstark absorbierende Materialien eignet sich diese Technik besonders gut. Bei stark absorbierenden Proben tritt jedoch das Problem der Totalabsorption auf, was zu minderwertiger Spektrenqualität führt.

Die Probenvorbereitung für Transmissionsmessungen gestaltet sich aufwendig: Flüssigkeiten müssen mit Lösungsmitteln wie Kohlenstofftetrachlorid (CCl₄) verdünnt werden. Feste Proben werden gemahlen und mit Kaliumbromid (KBr) vermischt, das im mittleren IR-Bereich keine Absorption zeigt. Anschliessend wird diese Mischung zu einem Pellet gepresst. Alternativ können sehr dünne Probenplättchen (<15 μm) verwendet werden.

Im Gegensatz dazu nutzt die Reflexionsspektroskopie das von der Probenoberfläche reflektierte Licht. Je nach Anwendung unterscheidet man verschiedene Varianten:

• Spiegelreflexion: Besonders für grosse Proben wie Polymere oder Edelsteine geeignet
• Diffuse Reflexion: Kommt bei der DRIFTS-Technik zum Einsatz, ideal für Feststoffe wie Böden oder Katalysatoren
• Reflexions-Absorption: Auch “Transflexion” genannt, für dünne Schichten auf reflektierenden Substraten

Während Transmissionsspektren einfache Intensitätsverläufe zeigen, weisen Reflexionsspektren komplexere Strukturen auf. Die Umrechnung zwischen beiden ist mittels Kramers-Kronig-Transformation möglich.

ATR-Technik für feste und flüssige Proben

Die ATR-Technik (Attenuated Total Reflectance oder abgeschwächte Totalreflexion) hat die Transmissionsmethode in vielen Anwendungsbereichen überholt. Bei diesem Verfahren wird eine Probe direkt auf einen Kristall aufgebracht, durch den die IR-Strahlung geleitet wird. Beim Eintritt in die Probe findet eine Totalreflexion statt, wobei das abgeschwächte reflektierte Signal vermessen und mittels Fouriertransformation in ein IR-Spektrum umgewandelt wird.

Der entscheidende Vorteil: Flüssige, pastöse und feste Proben können ohne aufwendige Probenvorbereitung direkt auf der Kristalloberfläche gemessen werden. Das Licht dringt dabei nur wenige Mikrometer in die Probe ein. Als Kristallmaterialien kommen je nach Wellenzahlbereich meist Zinkselenid, Germanium, Thalliumbromoiodid (KRS-5), Silizium oder Diamant zum Einsatz.

Allerdings unterscheiden sich ATR-Spektren von Transmissionsspektren durch wellenlängenabhängige relative Bandenintensitäten. Die Absorptionsbanden werden zu grösseren Wellenlängen hin breiter und intensiver. Ausserdem verschieben sich die Banden zu niedrigeren Wellenzahlen. Um die Vergleichbarkeit zu verbessern, werden mathematische Korrekturverfahren angewandt, die jedoch für einen exakten quantitativen Vergleich nicht ausreichend sind. Daher führen einige Anbieter mittlerweile separate Datenbanken mit ATR-Spektren.

In der Prozessanalytik hat sich die ATR-Technik besonders bewährt. Mit ReactIR-Technologie können chemische Reaktionen in Echtzeit überwacht werden, wobei ATR-Sensoren in Reaktionsgefässe oder Durchflussapparaturen integriert werden. Die begrenzte Eindringtiefe der IR-Strahlung ermöglicht hochwertige Spektren selbst von optisch dichten Reaktionsgemischen, wobei Blasen, Partikel oder Katalysatoren die Messung nicht stören.

IR-Emissionsspektroskopie bei Hochtemperaturprozessen

Bei der Infrarotemissionsspektroskopie wird, anders als bei den Absorptionsverfahren, die von einer Probe selbst emittierte Infrarotstrahlung gemessen. Die Probe dient hierbei als eigene Strahlungsquelle, was besonders bei Hochtemperaturprozessen vorteilhaft ist.

Um ein stärkeres Signal zu erhalten, wird die Probe in der Regel auf über 100°C erhitzt. Die resultierenden Emissionsspektren zeigen allerdings weniger Details bezüglich der Rotationsspektren, und sowohl Bandenintensität als auch -form sind stärker temperaturabhängig als bei Absorptionsmethoden.

Lange Zeit war die IR-Emissionsspektroskopie aufgrund der geringen zu erwartenden Strahlungsenergien sehr aufwendig und zeigte nur eine geringe Empfindlichkeit. Mit modernen thermischen Infrarot-Strahlern und verbesserten Detektoren hat sich diese Situation jedoch deutlich verbessert, was den Einsatz in industriellen Hochtemperaturprozessen zunehmend attraktiv macht.

Neue Entwicklungen bei IR-Strahlern

Die technologische Landschaft der thermischen IR-Strahler hat sich in den letzten Jahren durch innovative Entwicklungen grundlegend verändert. Mehrere richtungsweisende Ansätze verbessern die Leistung dieser unverzichtbaren Komponenten für spektroskopische Anwendungen.

MEMS-basierte IR-Strahler mit hoher Modulationsrate

MEMS-basierte Infrarot-Strahler (Micro-Electro-Mechanical Systems) bieten gegenüber klassischen Glühwendeln entscheidende Vorteile. Besonders bemerkenswert sind ihre Zeitkonstanten von nur 3 ms, die den bisherigen Stand der Technik um eine ganze Grössenordnung übertreffen. Diese hohe Modulationsrate wird durch deutlich geringere thermische Masse erreicht – bei modulierbaren Strahlern ist diese um ein Vielfaches kleiner als bei Festkörper-MIR-Emittern.

Technisch basieren diese Strahler auf sogenannten “micro hotplates”. Die emittierende Fläche von 500 × 500 μm mit einer Dicke von 20 μm wird durch 60 μm breite Stege frei im Substrat aufgehängt. Diese thermische Entkopplung von der Chip-Peripherie reduziert den Heizleistungsbedarf erheblich. Eine rückseitige Heizung bringt den Chip auf Betriebstemperaturen über 800 °C.

Für Anwendungen, die sowohl hohe Frequenzen als auch ausreichende Intensität erfordern, werden Arrays aus kleineren Strahlern eingesetzt. Ein 4er-Array liefert bei Messungen ab 35 Hz bereits Vorteile gegenüber grösseren Einzelstrahlern.

Nanostrukturierte Oberflächen für höhere Emission

Standard-MEMS-Strahler besitzen oft einen geringen Oberflächenemissionsgrad unter 40%. Neue Forschungsprojekte zielen darauf ab, diesen Wert im Zentrum der Strahler-Membran auf 80% zu erhöhen. Dadurch soll die Strahlstärke deutlich gesteigert werden.

Eindrucksvoll demonstriert wird dies durch die Technologie von Infrasolid, deren patentierte Nanotechnologie und Strahleraufbau aus hochschmelzendem Metall mit nanostrukturierter Oberfläche zahlreiche Vorteile bietet. Die thermischen Strahler werden mit einem speziellen Prozess beidseitig beschichtet, was zu einer deutlichen Steigerung der abgegebenen Strahlungsleistung führt. Im Vergleich zu herkömmlichen thermischen IR-Strahlern liefern diese einen um Faktor 2 bis 4 höheren Signalgewinn im Wellenlängenbereich von 3-5 μm und sogar einen fünffach höheren Wert bei 10,35 μm.

Miniaturisierte IR-Strahler für mobile Sensorik

Die Miniaturisierung ermöglicht völlig neue Anwendungsfelder. Besonders kompakte IR-Emitter wie der FIREFLY E1608 mit einer Wellenlänge von 850 nm und Abmessungen von nur 1,6 × 0,8 × 0,6 mm eignen sich ideal für Gesundheitsüberwachung und tragbare Geräte.

Wesentliche Vorteile der Miniaturisierung sind neben der Grössenreduktion auch die höhere Toleranz gegenüber Vibrationen sowie erhebliche Kostensenkungspotenziale durch gleichzeitige Fertigung und Hausung tausender Bauteile auf Waferebene.

IR-Strahler mit integrierten Gasfilterzellen

Für spezielle Anwendungen in der Gassensorik werden immer ausgefeiltere Lösungen entwickelt. Das patentierte Design eines Doppelmäanders gewährleistet hohe mechanische Stabilität und erhöht gleichzeitig den elektrischen Widerstand, wodurch der Emitter mit geringerer Stromstärke betrieben werden kann.

Eine weitere Innovation ist die Integration von vergoldeten Reflektoren, die auf dem TO-Sockel montiert werden. Diese werfen die rückseitig abgegebene Strahlung nach vorne, was zu einem zusätzlichen Signalgewinn am Detektor führt. Für Anwendungen, die eine gerichtete Strahlung erfordern, kommen spezielle Winston Cone Kollimatoren zum Einsatz, die Reflexionen an der Küvettenwandung reduzieren.

Industrielle Anwendungen und Zukunftsperspektiven

Die Anwendungsgebiete thermischer Infrarot-Strahler erstrecken sich über zahlreiche industrielle Sektoren und eröffnen vielversprechende Zukunftsperspektiven.

Gasanalyse in der Umwelt- und Prozessmesstechnik

Bereits 1938 entwickelten BASF-Chemiker den revolutionären Ultra-Rot-Absorptions-Schreiber (URAS), der die Konzentration von über 100 Gasen automatisch bestimmen konnte. Moderne NDIR-Systeme werden heute in Biogasanlagen zur Überwachung der Methanproduktion, in Kraftwerken zur Emissionskontrolle sowie in der Pharma- und Chemieindustrie eingesetzt. Bei der Gasanalytik überzeugt besonders die FTIR-Technologie (Fourier-Transform-Infrarot-Spektroskopie), die mehrere Gase gleichzeitig mit hoher Genauigkeit identifizieren kann.

Materialcharakterisierung in der Halbleiterindustrie

Im Bereich der Materialcharakterisierung ist die IR-Spektroskopie für die Polymerforschung unerlässlich. Sie ermöglicht schnelle, zerstörungsfreie Analysen und liefert wertvolle Erkenntnisse über molekulare Strukturen sowie Interaktionen. Ausserdem wird diese Technik in der Bauindustrie angewandt, um Sekundärstoffe entsprechend ihrer Materialeigenschaften zu klassifizieren und ressourceneffizient zu nutzen.

Medizinische Diagnostik mit IR-Spektroskopie

Besonders vielversprechend ist die medizinische Anwendung. Mithilfe des sogenannten “Infrarot-molekularen Fingerabdrucks” können aus einem einzigen Tropfen Blut multiple Diagnosen erstellt werden – darunter anormale Blutfettwerte, Blutdruckveränderungen und sogar Prädiabetes. Darüber hinaus wird aktuell die nicht-invasive Messung der Glukosekonzentration bei Diabetes erforscht, während die IR-Spektroskopie bereits zur Analyse von Gewebe- und Blutproben eingesetzt wird, um Krankheiten wie Krebs frühzeitig zu erkennen. Mehr zu diesem Thema finden Sie unter: https://www.doccheck.com/de/detail/articles/36369-blut-detektive-der-molekulare-fingerabdruck

Integration in Smart-Home- und IoT-Systeme

Mit zunehmender Miniaturisierung und Effizienz rückt die Integration thermischer IR-Strahler in Smart-Home-Systeme in greifbare Nähe. Dadurch eröffnen sich neue Möglichkeiten für energieeffiziente Heizsysteme sowie sensorgestützte Anwendungen im IoT-Bereich. Der Markt für IR-Spektroskopie wächst folglich mit der steigenden Zahl an Anwendungen in Pharma-, Gesundheits- und Lebensmittelindustrie.

Schlussfolgerung

Zusammenfassend zeigt unsere Analyse, dass thermische Infrarot-Strahler durch technologische Innovationen einen bedeutenden Wandel erfahren. Zweifellos bieten MEMS-basierte IR-Strahler mit ihren beeindruckenden Modulationsraten von nur 3 ms sowie nanostrukturierte Oberflächen mit Emissionsgraden bis zu 80% entscheidende Vorteile gegenüber herkömmlichen Systemen. Diese Fortschritte ermöglichen nun präzisere und effizientere Messungen in der industriellen Spektroskopie.

Die vorgestellten Messmethoden – Transmission, Reflexion, ATR-Technik und IR-Emissionsspektroskopie – bilden das methodische Fundament für zahlreiche Anwendungen. Besonders hervorzuheben ist die Vielseitigkeit dieser Techniken, die je nach Probenbeschaffenheit und Anforderung optimal eingesetzt werden können.

Bemerkenswert erscheint die Miniaturisierung der IR-Strahler, die völlig neue Anwendungsfelder eröffnet und gleichzeitig Kostenvorteile bietet. Allerdings behalten auch Quantenkaskadenlaser ihre Berechtigung in spezifischen Anwendungsfeldern, obwohl thermische Strahler für breitere Spektren und kostensensitive Einsatzbereiche überlegen bleiben.

Die industriellen Anwendungsmöglichkeiten wachsen stetig – von der Gasanalyse in Umwelt- und Prozessmesstechnik über Materialcharakterisierung in der Halbleiterindustrie bis hin zur medizinischen Diagnostik. Daneben entwickelt sich die Integration in Smart-Home- und IoT-Systeme zu einem vielversprechenden Zukunftsmarkt.

Ungeachtet dieser positiven Entwicklung bleibt die Grundlagenforschung zu IR-aktiven Molekülen und deren Wechselwirkung mit elektromagnetischer Strahlung wesentlich für das Verständnis und die Weiterentwicklung der Technologie. Die Kombination aus technologischem Fortschritt und tieferem physikalischem Verständnis wird daher auch künftig die Evolution thermischer Infrarotstrahler für industrielle Spektroskopie vorantreiben.

FAQs

Q1. Was sind die Hauptunterschiede zwischen thermischen IR-Strahlern und Quantenkaskadenlasern? Thermische IR-Strahler emittieren Strahlung über einen breiten Spektralbereich, während Quantenkaskadenlaser Photonen auf eine eng begrenzte Wellenlänge konzentrieren. QCLs bieten eine deutlich höhere spektrale Leistungsdichte, schnellere Modulation und Kohärenz. Thermische Strahler sind jedoch kostengünstiger und für Anwendungen mit breiterem Spektrum geeignet.

Q2. Welche Vorteile bieten MEMS-basierte IR-Strahler gegenüber herkömmlichen Systemen? MEMS-basierte IR-Strahler haben deutlich kürzere Zeitkonstanten von nur 3 ms, was eine höhere Modulationsrate ermöglicht. Sie besitzen eine geringere thermische Masse und benötigen weniger Heizleistung. Durch ihre Miniaturisierung eignen sie sich besonders gut für mobile Anwendungen und sind kostengünstiger in der Herstellung.

Q3. Wie verbessern nanostrukturierte Oberflächen die Leistung von IR-Strahlern? Nanostrukturierte Oberflächen können den Emissionsgrad von IR-Strahlern auf bis zu 80% erhöhen, was zu einer deutlich gesteigerten Strahlstärke führt. Diese Technologie ermöglicht einen um Faktor 2 bis 5 höheren Signalgewinn im relevanten Wellenlängenbereich im Vergleich zu herkömmlichen Strahlern.

Q4. Welche Messmethoden werden in der industriellen IR-Spektroskopie eingesetzt? In der industriellen IR-Spektroskopie kommen hauptsächlich Transmissions-, Reflexions- und ATR-Messungen zum Einsatz. Die Transmissionsmethode eignet sich für transparente Proben, während Reflexionsmessungen für grosse oder undurchsichtige Proben verwendet werden. Die ATR-Technik ermöglicht Messungen ohne aufwendige Probenvorbereitung und ist besonders in der Prozessanalytik verbreitet.

Q5. Wie entwickelt sich der Einsatz von IR-Spektroskopie in der medizinischen Diagnostik? IR-Spektroskopie gewinnt in der medizinischen Diagnostik zunehmend an Bedeutung. Sie ermöglicht die Erstellung multipler Diagnosen aus einem einzigen Blutstropfen, einschliesslich der Erkennung von Blutfettwerten und Prädiabetes. Aktuelle Forschungen konzentrieren sich auf die
nicht-invasive Glukosemessung bei Diabetes und die frühzeitige Erkennung von Krankheiten wie Krebs durch Analyse von Gewebe- und Blutproben.