Detektion von NO und NO2 mit Laserspektrometer (2-Farben Laserspektrometer zur simultanen Detektion von NO und NO2)

• Forschungsstelle: BAFU
• Projektnummer: UTF 490.20.14

Schlüsselwörter (Deutsch)

2-Farben Laserspektrometer, NO, NO2, Stickoxide, Intensitätsmessung der Chemilumineszenzstrahlung, Stickstoffmonoxid, Ozon, Messgerät, Luftreinhaltung, Luftqualität, Messung, Quantenkaskadenlasern

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Die Luftqualität in der Schweiz ist in den letzten 25 Jahren deutlich besser geworden, aber gewisse Probleme sind noch zu lösen. Die Stickoxidbelastung (NO und NO₂) ist zwar seit 1990 zurückgegangen, die Immissionsgrenzwerte für Stickoxide werden aber vor allem in Städten und in Strassennähe auch heute noch regelmässig überschritten. Dies führt zu Erkrankungen der Atemwege bei Mensch und Tier und zur Überdüngung von Ökosystemen. Die Reduktion von Stickoxiden bleibt somit ein zentrales Ziel der schweizerischen Luftreinhaltepolitik, und ihre Analyse an der Quelle und in der Umgebungsluft ist deshalb von grosser Bedeutung.

Das heute verwendete Messprinzip zur Bestimmung der Stickoxide in der Umgebungsluft beruht auf der Intensitätsmessung der Chemilumineszenzstrahlung, welche bei der Reaktion von Stickstoffmonoxid (NO) mit Ozon (O₃) auftritt. Um sowohl NO als auch Stickstoffdioxid (NO₂) zu bestimmen wird letzteres in einem Teilstrom zu NO reduziert und gelangt erst anschliessend in die Reaktionszelle. Dies bedarf relativ komplexer Messgeräte und führt zu Einschränkungen im Gebrauch.

Eine verbesserte Bestimmung der Stickoxide ist eine wichtige Voraussetzung für die Entwicklung besserer Technologien zur Nachbehandlung von Abgasen und für die Beobachtung der Luftqualität. Eine Methode, die NO und NO₂ gleichzeitig messen kann, hat deshalb ein bedeutendes Potential im Bereich der Luftreinhaltung.

Die Entwicklung von 2-Farben Quantenkaskadenlasern ermöglicht es seit kurzem beide Substanzen mit einem einfachen optischen Aufbau zu detektieren. Um diese Entwicklung voranzutreiben werden im vorliegenden Projekt zwei Prototypen für die simultane Messung NO und NO₂ in Umgebungsluft und Autoabgasen entwickelt.

Beschreibung der Resultate (Englisch)

Air quality has significantly improved in the last 25 years, but much needs to be done to guarantee the well-being of the population and the protection of the ecosystem, as demanded by the Federal Act on the Protection of the Environment. More specifically, concentrations of nitrogen oxides (NOx = NO + NO₂) have decreased since the 1990s, but the legal limits are still frequently exceeded, especially in urban areas or near road traffic. Therefore, the reduction of nitrous oxides remains a central goal of the Swiss environmental policy, and, correspondingly, the monitoring of NOx remains of utmost importance, both at sources and in ambient air.

The current standard measurement principle for nitrogen oxides is the chemiluminescence of excited species after the reaction of nitrogen monoxide (NO) with ozone (O₃). For the analysis of nitrogen dioxide (NO₂) – the substance which is limited by the Swiss Ordinance on Air Pollution Control – NO₂ must first be reduced to NO. This process is relatively complex and not specific, leading to cross sensitivities with other nitrogen-containing pollutants.

Within this project we have developed a novel quantum cascade laser spectrometer (QLCAS) which allows the selective and sensitive detection of both NO and NO₂ in a single optical setup. This laser based method takes unique profit of a recently developed dual-color mid-IR laser source to obtain a compact and cost efficient instrumental design.

Umsetzung und Anwendungen (Englisch)

Two QC-laser instruments measuring NO and NO₂ simultaneously were developed.

The first instrument was designed to be highly sensitive, i.e. for real-time measurements required by air quality control applications. This spectrometer was benchmarked and validated at the official air quality monitoring site (NABEL Dübendorf), delivering high-quality data that is comparable to state-of-the-art reference instruments.

The second instrument was optimized for fast response and high selectivity in humid and hot samples found during combustion engine testing. It was characterized under laboratory conditions and operated at an engine test stand, where it showed good agreement with the established methodologies.

In both applications, the QCLAS offers independent and direct measurements of both NO and NO₂ at a high temporal resolution and with unprecedented selectivity.

Weiteres Vorgehen (Englisch)

Mid-IR laser spectroscopy is highly attractive because it combines high sensitivity and selectivity. The dual-component approach has been successfully developed and validated. It holds its promise with respect to analytical performance and footprint.

The implementation partners are currently evaluating several options for successful market implementation of this technology. One tantalizing possibility would be the combination of several multi-color quantum cascade lasers to achieve true multi-component real-time gas analysis. As a proof of concept, up to three dual-color QCLs have been included in a single laser spectrometer. In such a setup, up to ten gases trace gases can be measured simultaneously. This bears the promise to replace a multitude of trace-gas analyzers by a single instrument in a highly competitive and efficient design.

Publikationen / Ergebnisse (Englisch)

C. Liu, B. Tuzson, P. Scheidegger, H. Looser, B. Bereiter, M. Graf, M. Hundt, O. Aseev, D. Maas, L. Emmenegger, Laser Driving and Data Processing Concept for Mobile Trace Gas Sensing: Design and Implementation, Review of Scientific Instruments in press (2018).

P.M. Hundt, B. Tuzson, O. Aseev, C. Liu, P. Scheidegger, H. Looser, F. Kapsalidis, M. Shahmoham-madi, J. Faist, L. Emmenegger, Multi-species trace gas sensing with dual-wavelength QCLs, Appl. Phys. B 124 (2018) 108.