Pred niekoľkými rokmi profesorka Birgitta Bernhardt a jej skupina na Inštitúte experimentálnej fyziky Technickej univerzity v Grazi (TU Graz) v Rakúsku navrhli prvý širokopásmový UV duálny -hrebeňový spektrometer na svete na detekciu a meranie látok znečisťujúcich ovzdušie (plyny) v reálnom čase. A teraz vytvorili kompaktnú mobilnú verziu (pozrite si video)-ešte citlivejšiu a presnejšiu-na zachytávanie molekulárnych odtlačkov látok znečisťujúcich ovzdušie vo vysokom spektrálnom rozlíšení (1 GHz), širokom pásme (12 THz) a sub{6}}sekundovom snímaní v rozsahu 2,5 km (1,55 míle).
Dvojitá-hrebeňová spektroskopia kombinuje vysoké spektrálne rozlíšenie, široké spektrálne pokrytie a krátke akvizičné časy. Zatiaľ čo tento prístup je známy svojimi silnými stránkami v infračervenej (IR) spektrálnej oblasti, UV spektrálna oblasť zostáva trochu nedostatočne preskúmaná kvôli nedostatku priamych frekvenčných hrebeňových zdrojov.
Ale UV spektrálna oblasť "je mimoriadne dôležitá a naše zariadenie vám umožňuje prístup nielen k rotačným a vibračným informáciám o molekulárnych vzorkách, ale aj excitovať elektronické prechody," hovorí Bernhardt. "Toto sú spúšťače rôznych fotochemických reakcií, ktoré sú vysoko relevantné pre fotochémiu v našej atmosfére."
Dva laserové frekvenčné hrebene
Dvojitá{0}}hrebeňová spektroskopia kombinuje dva laserové frekvenčné hrebene s mierne odlišnými opakovacími frekvenciami, a keď tieto sledy impulzov rušia,-efektívne konvertuje vysoké optické frekvencie na priamo dostupnú rádiofrekvenčnú doménu.
„Môžeme tiež merať optické vlastnosti-absorpcie alebo disperzie- skúmaných vzoriek pomocou jednoduchej fotodiódy,“ hovorí Bernhardt. "Táto technika sa teraz využíva v UV oblasti tak, že frekvencia strojnásobí IR výstup kompaktného jedno-dutinového dvojitého-hrebeňového lasera."
Vďaka dvojitému-princípu hrebeňa dosahuje ich spektrometer rozlišovaciu schopnosť jeden milión za menej ako{1}}sekundové meranie. "Je to jedinečná kombinácia, ktorú nemôžete dosiahnuť s konvenčnými mriežkovými spektrometrami alebo monochromátormi," hovorí Bernhardt.
Main benefits of the group's design changes? Broad spectral coverage of >10 THz, krátke doby snímania (pol sekundy), vysoká rozlišovacia schopnosť 1 000 000, vysoká citlivosť (absorpčné prierezy už od 10-22cm2/molecule) a vysoká presnosť-v rámci nedostatočne preskúmanej UV spektrálnej oblasti.
"Naše nastavenie je mobilné a nevyžaduje žiadne zložité elektronické stabilizačné zariadenie," zdôrazňuje Bernhardt. "Náš predchádzajúci projekt zahŕňal dodatočný elektronický stojan. Jeho zjednodušením je spektrometer na ceste stať sa užívateľsky prívetivým-a nielen pre odborníkov na spektroskopiu."
Bezprecedentná presnosť dvojitého hrebeňového UV-spektrometra
Mobilný UV duálny hrebeňový spektrometer skupiny umožnil vedcom presne zmerať vzorce absorpcie UV svetla formaldehydu (látka znečisťujúca atmosféru a prchavá organická zlúčenina). Tieto merania boli také presné, že „zistili sme množstvo formaldehydových rezonancií, ktoré nikdy predtým neboli experimentálne pozorované,“ hovorí Bernhardt. "Bol to skvelý moment!"
V skutočnosti ich merania odhalili, že rotačné konštanty formaldehydu v učebniciach fyziky od 60. rokov minulého storočia sú nepresné. V spolupráci s divíziou Harvard & Smithsonian Atomics and Molecular Physics Center for Astrophysics v USA Bernhardt a jej skupina upravili hodnoty tohto parametra špecifického pre základnú molekulu- až o 15 %.
Profesor Rolf Breinbauer a jeho skupina z Inštitútu organickej chémie TU Graz prispeli k tejto práci poskytnutím -formaldehydu vysokej čistoty.
Kredit: Wolf/TU Graz
Výskumníci v laboratóriu s mobilným UV duálnym -hrebeňovým spektrometrom- (zľava doprava) Rolf Breinbauer, Birgitta Bernhardt, Clemens Hoffman a Mithun Pal.
Ďalej: Ešte kompaktnejšie a stabilnejšie?
Všade tam, kde môžu byť zaujímavé spektrálne podpisy, existujú aplikácie pre mobilný UV duálny-hrebeňový spektrometer. Môže sa použiť na základnú spektroskopiu (na preskúmanie základných optických vlastností akéhokoľvek druhu), merania kvality ovzdušia (atmosférická chémia znečisťujúcich látok), biosnímanie a dokonca aj na lekársku analýzu dychu.
Je zrejmé, že zlepšenie presnosti meraní kvality ovzdušia vyniká svojím potenciálom pomôcť demystifikovať znečistenie ovzdušia a jeho vplyv na Zem.
"Náš spektrometer je vždy v prevádzke v mojej skupine Coherent Sensing na TU Graz," hovorí Bernhardt. "Pretože existuje veľa druhov, ktoré je potrebné študovať, skúmame spôsoby, ako urobiť prístroj ešte kompaktnejším, aby sme s ním mohli vykonávať terénne kampane meraní kvality ovzdušia."
