Laserspectrometer: hoe licht verklapt waar iets van gemaakt is
Een laserspectrometer is een meetinstrument dat een laserstraal gebruikt om te achterhalen waar een materiaal precies uit bestaat, zonder dat je het hoeft aan te raken of kapot te maken. Denk aan een scanner in een supermarkt die een streepjescode leest: die stuurt een lichtstraaltje op een product en 'leest' wat er terugkomt. Een laserspectrometer doet iets vergelijkbaars, maar dan met de chemische 'vingerafdruk' van een stof. Het apparaat schijnt laserlicht op, in, of door een monster en analyseert vervolgens heel precies hoe dat licht verandert. Uit die verandering valt af te leiden welke atomen en moleculen er in het monster zitten.
Het bijzondere is dat dit op afstand kan, razendsnel gaat en vaak niets vernietigt. Een marsrover kan zo een rots op zeven meter afstand 'proeven' zonder er naartoe te hoeven rijden. Een fabriek kan binnen een seconde controleren of een medicijnpil wel de juiste stof bevat. En een sensor langs een gasleiding kan een piepklein methaanlekje opsporen voordat het een probleem wordt. Laserspectrometers zitten dus niet in één apparaat, maar zijn een hele familie van technieken die allemaal hetzelfde basisidee delen: licht als informatiedrager gebruiken.
Wat is het precies?
Om te snappen hoe een laserspectrometer werkt, helpt het om eerst te weten wat een laser bijzonder maakt. Gewoon licht, zoals van een gloeilamp, bestaat uit een mengsel van golflengtes (kleuren) die alle kanten op schieten. Laserlicht is monochromatisch (één zuivere golflengte, dus één kleur) en coherent (alle lichtgolven lopen precies gelijk op). Die zuiverheid maakt het mogelijk om piepkleine veranderingen in het licht heel nauwkeurig te meten, veranderingen die bij gewoon licht in de ruis zouden verdwijnen.
Als laserlicht een materiaal raakt, kan er drie dingen gebeuren, en elke variant levert een ander type laserspectrometer op. Bij de eerste methode, absorptiespectroscopie, laat je de laserstraal door een gas of vloeistof gaan en meet je welke golflengtes onderweg worden 'opgegeten'. Elk molecuul absorbeert licht op zijn eigen unieke golflengtes, zoals een slot dat maar op één sleutel past. Door de laser heel precies van kleur te laten veranderen (dit heet tunable diode laser absorption spectroscopy, afgekort TDLAS, oftewel afstembare-diodelaser-absorptiespectroscopie) kun je gassen als methaan of kooldioxide al in extreem lage concentraties opsporen.
Bij de tweede methode, Ramanspectroscopie, kaatst het meeste laserlicht ongewijzigd terug, maar een klein deel verandert een beetje van golflengte doordat het energie uitwisselt met trillende moleculen. Dat verschil, de zogeheten Raman-verschuiving, is voor elke stof net iets anders en werkt dus als een chemische handtekening. Deze techniek is niet-destructief: het monster raakt niet beschadigd.
De derde methode is destructiever maar krachtig: laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS, laser-geïnduceerde doorslagspectroscopie). Hierbij vuurt een korte, krachtige laserpuls zo veel energie op een oppervlak dat een piepklein stukje materiaal in een flits verdampt tot een gloeiend, elektrisch geladen gaswolkje: een plasma. Dat plasma zendt licht uit met golflengtes die verraden welke chemische elementen erin zitten, ongeveer zoals vuurwerk van kleur verandert al naar gelang de gebruikte metaalzouten. In alle drie de gevallen vangt een detector het licht op en splitst een prisma-achtig onderdeel het in zijn samenstellende golflengtes, waarna software het spectrum vergelijkt met bekende chemische handtekeningen.
Wat wil men ermee bereiken?
De drijfveer achter laserspectrometrie is steeds hetzelfde: sneller, preciezer en op afstand weten waar iets van gemaakt is, zonder dure en tijdrovende laboratoriumanalyses. Traditionele chemische analyse betekent vaak een monster nemen, het opsturen naar een lab, en dagen wachten op een uitslag. Een laserspectrometer kan dat proces terugbrengen tot seconden en, belangrijker nog, kan het op locaties werken waar een laboratorium niet kan komen: op een andere planeet, diep in een fabriekshal, of hoog in de atmosfeer.
Concreet spelen een paar doelen een rol. In de ruimtevaart wil men de chemische samenstelling van gesteente en atmosfeer bepalen zonder een monster terug naar de aarde te hoeven brengen. In de industrie wil men grondstoffen en producten razendsnel controleren op zuiverheid en samenstelling, wat geld en tijd bespaart en fouten voorkomt. In het milieutoezicht wil men gaslekken en luchtvervuiling opsporen voordat ze schade aanrichten. En in de geneeskunde onderzoekt men of je via iemands adem, zonder bloedprikken, ziektes kunt opsporen doordat het lichaam sporenstoffen uitademt die met een laser detecteerbaar zijn.
Voorbeelden uit de praktijk
ChemCam op de Marsrover Curiosity (vanaf 2012). Dit instrument, ontwikkeld door het Amerikaanse Los Alamos National Laboratory samen met het Franse ruimtevaartagentschap CNES en onderzoeksinstituut IRAP, gebruikt LIBS om rotsen tot zeven meter afstand te analyseren. De laser verdampt een piepklein stukje steen en een spectrometer leest het licht van het ontstane plasma af om te bepalen welke elementen erin zitten.
SuperCam op de Marsrover Perseverance (sinds de landing in februari 2021). Dit is de opvolger van ChemCam en combineert LIBS met Raman-spectroscopie, infraroodspectroscopie en zelfs een microfoon om het geluid van de laserinslag op te vangen. Ook dit instrument is een Frans-Amerikaanse samenwerking.
Metaalrecycling en scrapsortering. Handheld LIBS-analysers worden in de recyclingindustrie gebruikt om binnen enkele seconden te bepalen welke legering een stuk schroot is (bijvoorbeeld welk type roestvast staal of aluminium), zodat metalen efficiënter gescheiden en hergebruikt kunnen worden.
Kwaliteitscontrole in de farmaceutische industrie. Raman-spectrometers worden gebruikt om grondstoffen en tabletten te controleren op de juiste chemische samenstelling, vaak direct door de verpakking heen, zonder het product te openen of te vernietigen.
Methaanlek-detectie in de olie- en gasindustrie. Laserabsorptiesensoren, gebaseerd op principes als TDLAS, worden ingezet om methaanlekken langs pijpleidingen en installaties op te sporen. Omdat methaan een krachtig broeikasgas is, is snelle detectie relevant voor klimaatbeleid, al variëren de gerapporteerde gevoeligheid en dekking sterk per systeem en leverancier.
Hoe ver is de techniek?
Laserspectrometrie is geen nieuwe wetenschap: de onderliggende natuurkunde (Ramanverstrooiing, laserabsorptie) is al decennia bekend, maar de praktische toepassingen zijn de laatste vijftien tot twintig jaar sterk versneld dankzij goedkopere, kleinere en krachtigere lasers en detectoren. Voor veel toepassingen, zoals Raman-spectroscopie in de farmaceutische industrie of LIBS voor schrootsortering, is de techniek volwassen en dagelijks in commercieel gebruik.
Voor ruimtetoepassingen is de techniek bewezen en operationeel: ChemCam en SuperCam functioneren al jaren op Mars. De grootste uitdaging daar is niet de meetprincipe zelf, maar het robuust maken van precisie-optica tegen stof, temperatuurschommelingen en trillingen tijdens lancering.
Waar de techniek nog volop in ontwikkeling is, is miniaturisering voor draagbare en medische toepassingen. Ademanalyse met laserspectrometers om ziektes op te sporen wordt in laboratoria onderzocht en getest, maar staat nog niet op grote schaal in ziekenhuizen. Belangrijke obstakels zijn de gevoeligheid die nodig is om extreem lage concentraties sporenstoffen te onderscheiden van ruis, het bouwen van betrouwbare referentiedatabases om spectra correct te interpreteren, en de kosten van precisie-onderdelen zoals afstembare lasers en hoogwaardige detectoren.
Wie werken eraan?
In de ruimtevaart zijn het Amerikaanse Los Alamos National Laboratory en het Franse CNES, samen met onderzoeksinstituut IRAP in Toulouse, de drijvende krachten achter ChemCam en SuperCam, in samenwerking met NASA's Jet Propulsion Laboratory. Ook de Europese ruimtevaartorganisatie ESA werkt aan spectrometrie voor planeetonderzoek, al zijn niet al haar instrumenten laser-gebaseerd.
In de industriële en meettechniek is een reeks gespecialiseerde bedrijven actief, waaronder fabrikanten van Raman- en LIBS-analyseapparatuur zoals Thermo Fisher Scientific, Bruker en Renishaw, en bedrijven die zich richten op laserabsorptiesensoren voor gasdetectie. In Nederland doet onderzoeksinstituut TNO werk op het gebied van sensortechnologie en fotonica, waaronder toepassingen voor gasdetectie; ook technische universiteiten in Nederland houden zich bezig met fotonica en laseroptica als onderdeel van bredere onderzoeksprogramma's. Precieze, actuele projectdetails wisselen echter en zijn niet allemaal openbaar te verifiëren.