Kilka lat temu profesor Birgitta Bernhardt i jej grupa z Instytutu Fizyki Doświadczalnej Politechniki w Grazu (TU Graz) w Austrii zaprojektowali pierwszy na świecie szerokopasmowy spektrometr UV z podwójnym-grzebieniami do wykrywania i pomiaru substancji zanieczyszczających powietrze (gazów) w czasie rzeczywistym. Teraz opracowano kompaktową wersję mobilną (zobacz film)-jeszcze bardziej czułą i dokładną-do przechwytywania molekularnych odcisków palców zanieczyszczeń powietrza w wysokiej rozdzielczości widmowej (1 GHz), szerokim paśmie (12 THz) i czasie rejestracji poniżej-sekundy w zasięgu 2,5 km (1,55 mil).
Spektroskopia z podwójnym-grzebieniami łączy w sobie wysoką rozdzielczość widmową, szerokie pokrycie widma i krótkie czasy akwizycji. Chociaż podejście to jest znane ze swoich mocnych stron w obszarze widma podczerwonego (IR), obszar widma UV pozostaje nieco niedostatecznie zbadany ze względu na brak bezpośrednich źródeł grzebieniowych.
Jednak obszar widma UV „jest niezwykle ważny, a nasze urządzenie umożliwia dostęp nie tylko do informacji o rotacji i wibracjach próbek molekularnych, ale także pobudza przejścia elektronowe” – mówi Bernhardt. „Są to wyzwalacze różnych reakcji fotochemicznych, które są bardzo istotne dla fotochemii w naszej atmosferze”.
Dwa grzebienie laserowe
Spektroskopia z podwójnym-grzebieniami łączy dwa grzebienie częstotliwości lasera o nieco różnych częstotliwościach powtarzania, a gdy te ciągi impulsów zakłócają,-skutecznie przekształca wysokie częstotliwości optyczne w bezpośrednio dostępną dziedzinę częstotliwości radiowych.
„Możemy także zmierzyć właściwości optyczne-absorpcji lub dyspersji-badanych próbek za pomocą prostej fotodiody” – mówi Bernhardt. „Technikę tę wykorzystuje się obecnie w obszarze UV poprzez potrojenie częstotliwości wyjściowej podczerwieni kompaktowego lasera grzebieniowego z pojedynczą-wnęką i podwójnym-”.
Dzięki zasadzie podwójnego-grzebienia spektrometr osiąga zdolność rozdzielczą rzędu jednego miliona w czasie pomiaru krótszym-sekundowym. „To wyjątkowa kombinacja, której nie można osiągnąć za pomocą konwencjonalnych spektrometrów siatkowych ani monochromatorów” – mówi Bernhardt.
Main benefits of the group's design changes? Broad spectral coverage of >10 THz, krótkie czasy akwizycji (pół sekundy), wysoka rozdzielczość 1 000 000, wysoka czułość (przekroje absorpcji już od 10-22cm2/molecule) i wysoką precyzję-wszystko w niezbadanym obszarze widma UV.
„Nasz zestaw jest mobilny i nie wymaga żadnego skomplikowanego elektronicznego sprzętu stabilizującego” – podkreśla Bernhardt. „Nasz poprzedni projekt obejmował dodatkowy stojak elektroniczny. Dzięki uproszczeniu spektrometr stanie się przyjazny dla użytkownika-nie tylko dla ekspertów w dziedzinie spektroskopii”.
Niespotykana precyzja podwójnego-spektrometru grzebieniowego UV
Mobilny, dwu{0}}grzebieniowy spektrometr UV należący do grupy umożliwił naukowcom precyzyjny pomiar wzorców absorpcji światła UV przez formaldehyd (substancję zanieczyszczającą atmosferę i lotny związek organiczny). Pomiary te były tak precyzyjne, że „wykryliśmy wiele rezonansów formaldehydu, których nigdy wcześniej nie obserwowano eksperymentalnie” – mówi Bernhardt. „To był wspaniały moment!”
W rzeczywistości ich pomiary wykazały, że stałe rotacyjne formaldehydu w podręcznikach fizyki od lat 60. XX wieku są niedokładne. Współpracując z działem atomistyki i fizyki molekularnej Harvard & Smithsonian Center for Astrophysics w USA, Bernhardt i jej grupa skorygowali wartości tego podstawowego parametru-specyficznego dla cząsteczki aż o 15%.
Profesor Rolf Breinbauer i jego grupa z Instytutu Chemii Organicznej Uniwersytetu Technicznego w Grazu wnieśli swój wkład w tę pracę, dostarczając formaldehyd-o wysokiej czystości.
Źródło: Wolf/TU Graz
Naukowcy w laboratorium z mobilnym-spektrometrem grzebieniowym UV-(od lewej do prawej): Rolf Breinbauer, Birgitta Bernhardt, Clemens Hoffman i Mithun Pal.
Następny w kolejce: Jeszcze bardziej kompaktowy i stabilny?
Wszędzie tam, gdzie mogą być interesujące sygnatury widmowe, istnieją zastosowania mobilnego spektrometru UV z podwójnym-grzebieniami grzebieniowymi. Można go stosować do podstawowej spektroskopii (w celu zbadania podstawowych właściwości optycznych dowolnego gatunku), pomiarów jakości powietrza (chemia atmosfery zanieczyszczeń), biosensoryzacji, a nawet do medycznej analizy oddechu.
Jest oczywiste, że poprawa precyzji pomiarów jakości powietrza wyróżnia się potencjałem w zakresie wyjaśnienia zanieczyszczenia powietrza atmosferycznego i jego wpływu na Ziemię.
„Nasz spektrometr jest zawsze w użyciu w mojej grupie Coherent Sensing na TU Graz” – mówi Bernhardt. „Ponieważ istnieje wiele gatunków do zbadania, szukamy sposobów na uczynienie instrumentu jeszcze bardziej kompaktowym, aby można było z nim przeprowadzać kampanie terenowe dotyczące pomiarów jakości powietrza”.
