Fortschritte in der Inline-Sensorik: Mittelinfrarot-Photothermische Spektroskopie für industrielle Flüssigkeiten

Real-time monitoring of industrial liquids is becoming increasingly important in chemical, pharmaceutical, and food production. Accurate, non-invasive sensing allows manufacturers to maintain consistent product quality, optimize processes, and meet regulatory and sustainability requirements. Traditional inline spectroscopy methods, like Raman or ATR‑FTIR, have been widely used but face limitations with certain compounds, turbid liquids, or highly absorbing media. New research introduced mid-infrared photothermal spectroscopy as a new approach for sensitive, in-line monitoring of complex liquids directly within production streams.

Diese Technik kombiniert die Mittelinfrarot-Anregung mit dem photothermischen Nachweis und erfasst thermische Reaktionen anstelle der direkten Absorption. Durch die Messung subtiler, wärmeinduzierter optischer Effekte ermöglicht sie eine präzise Überwachung, ohne den Prozess zu stören oder eine aufwendige Probenvorbereitung zu erfordern. Diese Entwicklung liefert Herstellern Echtzeiteinblicke, die die Prozesssteuerung und -effizienz verbessern und gleichzeitig Umweltziele unterstützen.

Herausforderungen bei der Inline-Überwachung von Flüssigkeiten

Eine zuverlässige Inline-Messtechnik in industriellen Prozessen erfordert die Bewältigung mehrerer Herausforderungen. Prozessflüssigkeiten unterscheiden sich häufig in ihrer chemischen Zusammensetzung und ihren optischen Eigenschaften, Produktionsumgebungen können anspruchsvoll sein, und herkömmliche Sonden verfügen oft nicht über die notwendige Empfindlichkeit oder stoßen bei Streuung und Absorption an ihre Grenzen. Unsere Arbeit begegnete diesen Herausforderungen durch die Entwicklung eines photothermischen Spektroskopiesystems, das die durch die Absorption von Mittelinfrarotstrahlung (Mid-IR) hervorgerufenen thermischen Effekte erfasst und dadurch eine empfindliche sowie anpassungsfähige Überwachung selbst komplexer Flüssigkeiten ermöglicht.

Gleichzeitig bietet die Methode deutliche Vorteile für den industriellen Einsatz:

• Empfindliche, berührungsfreie Überwachung: Erfasst chemische und physikalische Eigenschaften, ohne in den Prozess einzugreifen.

  
  

• Höhere Prozesszuverlässigkeit: Liefert präzise Echtzeitdaten, um Abweichungen zu reduzieren und die Produktion fehlerhafter Produkte zu vermeiden.

  
  

• Vorteile für die Nachhaltigkeit: Unterstützt eine effizientere Materialnutzung und die Verringerung von Abfällen und trägt damit zu den Klimaneutralitätszielen der EU bei.

Durch die Kombination dieser Eigenschaften liefert das System praxisrelevante Erkenntnisse, die Hersteller dabei unterstützen, eine gleichbleibend hohe Produktqualität sicherzustellen und ihre Produktion in Echtzeit zu optimieren.

Wie photothermische Spektroskopie funktioniert

Das System nutzt einen Laser, um Molekülschwingungen in der Flüssigkeitsprobe anzuregen. Die Absorption von Mittelinfrarotstrahlung (Mid-IR) erzeugt lokale Wärme, die thermoelastische Effekte und Änderungen des Brechungsindex verursacht. Diese Effekte werden mithilfe eines sichtbaren Messstrahls durch Verfahren wie den photothermischen Spiegel (Photothermal Mirror, PTM) und die photothermische Strahlablenkung (Photothermal Deflection, PTD) gemessen. PTM erfasst die durch lokale Erwärmung verursachte Oberflächenverformung, während PTD die Ablenkung des Messstrahls aufgrund thermischer Gradienten detektiert. Gemeinsam ermöglichen diese Verfahren eine indirekte, hochempfindliche Erfassung molekularer Veränderungen, die mit herkömmlichen Transmissionsmessungen nur schwer zu erfassen wären.

Dieser Messansatz macht die Mid-IR-Photothermische Spektroskopie besonders wertvoll für industrielle Anwendungen, bei denen Flüssigkeiten trüb, stark absorbierend oder mit hohen Strömungsgeschwindigkeiten fließen, und ermöglicht eine kontinuierliche, zerstörungsfreie Überwachung.

Industrielle Relevanz und Vorteile

Durch die Bereitstellung präziser Echtzeitdaten über die Zusammensetzung von Flüssigkeiten und die Prozessbedingungen ermöglicht unsere Arbeit Herstellern:

• die Reduzierung von Ausschuss und Materialverlusten,

• die Sicherstellung einer gleichbleibend hohen Produktqualität,

• die Optimierung des Energie- und Ressourceneinsatzes.

Diese Verbesserungen sind insbesondere für die chemische, pharmazeutische und Lebensmittelindustrie von Bedeutung, da dort eine präzise Kontrolle der Flüssigkeitszusammensetzung die Produktleistung, die Prozesseffizienz und die Nachhaltigkeit unmittelbar beeinflusst.

Projektpartner

Die Arbeit wurde durchgeführt von Institute of Chemical Technologies and Analytics, TU Wien ↗, Department of Physics, Universidade Estadual de Maringá ↗, Department of Physics, Universidade Tecnológica Federal Do Paraná ↗ und Competence Center CHASE GmbH ↗.

Das Paper wurde veröffentlicht in Analytical and Bioanalytical Chemistry, 2025. Die Autoren sind Dominik Kau‑Wacht, Nelson G. C. Astrath, Gustavo V. B. Lukasievicz, Leopold Lindenbauer, Alicja Dabrowska, Karin Wieland, Bernhard Lendl: Laser-based mid-IT photothermal spectroscopy of liquids: a new avenue for in-line sensing in process analytical technology - CHASE PDF ↗