În urmă cu câțiva ani, profesorul Birgitta Bernhardt și grupul ei de la Institutul de Fizică Experimentală al Universității de Tehnologie din Graz (TU Graz) din Austria au proiectat primul spectrometru cu două pieptene UV de bandă largă din lume pentru a detecta și măsura poluanții din aer (gaze) în timp real. Și acum au creat o versiune mobilă compactă (vezi videoclipul)-și mai sensibilă și mai precisă-pentru a capta amprentele moleculare ale poluanților atmosferici la rezoluție spectrală înaltă (1 GHz), lățime de bandă largă (12 THz) și achiziție de sub-secunde într-un interval de 2,5 kilometri (1,55 mile).
Spectroscopia dual-pieptene combină rezoluția spectrală mare, acoperirea spectrală largă și timpii scurti de achiziție. În timp ce abordarea este cunoscută pentru punctele sale forte în regiunea spectrală infraroșu (IR), regiunea spectrală UV rămâne oarecum subexplorată din cauza lipsei surselor de pieptene de frecvență directă.
Dar regiunea spectrală UV „este extrem de importantă, iar dispozitivul nostru vă permite să accesați nu numai informațiile rotaționale și vibraționale ale probelor moleculare, ci și să excitați tranzițiile electronice”, spune Bernhardt. „Aceștia sunt declanșatorii diferitelor reacții fotochimice care sunt foarte relevante pentru fotochimia din atmosfera noastră”.
Doi piepteni de frecvență laser
Spectroscopia dual-pieptene combină doi piepteni de frecvență laser cu rate de repetare ușor diferite și, atunci când aceste trenuri de impulsuri interferează, aceasta-convertă eficient frecvențele optice înalte în domeniul de frecvență radio direct accesibil.
„De asemenea, putem măsura proprietățile optice-absorbția sau dispersia-eșantioanelor supuse controlului printr-o simplă fotodiodă”, spune Bernhardt. „Această tehnică este acum exploatată în regiunea UV prin triplarea frecvenței de ieșire IR a unui laser compact cu o singură-cavitate dual-pieptene.
Datorită principiului dual-pieptene, spectrometrul lor atinge puteri de rezoluție de un milion în timpi de măsurare sub-secunde. „Este o combinație unică la care nu poți ajunge cu spectrometrele sau monocromatoarele convenționale”, spune Bernhardt.
Main benefits of the group's design changes? Broad spectral coverage of >10 THz, timpi scurti de achiziție (o jumătate de secundă), putere mare de rezoluție de 1.000.000, sensibilitate ridicată (secțiuni transversale de absorbție de până la 10-22cm2/molecule) și de înaltă precizie-toate în cadrul regiunii spectrale UV subexplorate.
„Configurația noastră este mobilă și nu necesită niciun echipament electronic complicat de stabilizare”, subliniază Bernhardt. „Proiectul nostru anterior a inclus un suport electronic suplimentar. Prin simplificarea acestuia, spectrometrul este pe cale să devină ușor de utilizat-și nu numai de către experții în spectroscopie.”
Precizie fără precedent cu spectrometru cu două-piepteni UV
Spectrometrul mobil UV dual-pieptene al grupului a permis cercetătorilor să măsoare cu precizie modelele de absorbție a luminii UV ale formaldehidei (un poluant atmosferic și un compus organic volatil). Aceste măsurători au fost atât de precise, „am detectat o multitudine de rezonanțe de formaldehidă care nu au fost niciodată observate experimental înainte”, spune Bernhardt. „A fost un moment grozav!”
De fapt, măsurătorile lor au arătat că constantele de rotație ale formaldehidei din manualele de fizică din anii 1960 sunt inexacte. Colaborând cu divizia Harvard & Smithsonian Atomics and Molecular Physics a Centrului de Astrofizică din SUA, Bernhardt și grupul ei au corectat valorile acestui parametru specific al moleculei fundamentale cu până la 15%.
Profesorul Rolf Breinbauer și grupul său de la Institutul de Chimie Organică din TU Graz au contribuit la această activitate prin furnizarea de formaldehidă de înaltă puritate-.
Credit: Wolf/TU Graz
Cercetătorii din laboratorul cu spectrometrul mobil UV dual-pieptene-(de la stânga la dreapta) Rolf Breinbauer, Birgitta Bernhardt, Clemens Hoffman și Mithun Pal.
Următorul: și mai compact și mai stabil?
Oriunde semnăturile spectrale pot fi de interes, există aplicații pentru un spectrometru mobil UV dual-pieptene. Poate fi folosit pentru spectroscopie fundamentală (pentru a explora proprietățile optice fundamentale ale oricărei specii), măsurători ale calității aerului (chimia atmosferică a poluanților), biosensing și chiar pentru analiza medicală a respirației.
În mod clar, îmbunătățirea preciziei măsurătorilor calității aerului iese în evidență datorită potențialului său de a ajuta la demistificarea poluării atmosferice și a impactului său asupra Pământului.
„Spetrometrul nostru este întotdeauna în funcțiune în grupul meu Coherent Sensing de la TU Graz”, spune Bernhardt. „Deoarece există o mulțime de specii de studiat, explorăm modalități de a face instrumentul și mai compact pentru a face campanii de teren de măsurare a calității aerului cu acesta”.
