Muutama vuosi sitten professori Birgitta Bernhardt ja hänen ryhmänsä Grazin teknillisen yliopiston (TU Graz) kokeellisen fysiikan instituutissa Itävallassa suunnittelivat maailman ensimmäisen laajakaistaisen UV-kaksois{0}}kampaspektrometrin, joka havaitsee ja mittaa ilman epäpuhtauksia (kaasuja) reaaliajassa. Ja nyt he ovat luoneet kompaktin mobiiliversion (katso video)-jopa herkempänä ja tarkempana-, jolla voidaan tallentaa ilmansaasteiden molekyylisormenjälkiä korkealla spektriresoluutiolla (1 GHz), laajalla kaistanleveydellä (12 THz) ja sekunnissa 2,5 kilometrin (1,55 mailin) etäisyydellä.
Kaksi{0}}kampaspektroskopiaa yhdistää korkean spektriresoluution, laajan spektrin peiton ja lyhyet hakuajat. Vaikka lähestymistapa tunnetaan vahvuuksistaan infrapuna- (IR) spektrialueella, UV-spektrialue jää hieman alitutkituksi suorien taajuuksien kampalähteiden puuttumisen vuoksi.
Mutta UV-spektrialue "on äärimmäisen tärkeä, ja laitteemme avulla voit käyttää molekyylinäytteiden pyörimis- ja värähtelyinformaation lisäksi myös elektronisia siirtymiä", Bernhardt sanoo. "Nämä laukaisevat erilaisia valokemiallisia reaktioita, jotka ovat erittäin tärkeitä ilmakehämme valokemian kannalta."
Kaksi lasertaajuuskampaa
Kaksois-kampaspektroskopia yhdistää kaksi lasertaajuuskampaa, joiden toistotiheys on hieman erilainen, ja kun nämä pulssijonot häiritsevät, se{1}}muuntaa korkeat optiset taajuudet tehokkaasti suoraan saatavilla olevaksi radiotaajuusalueeksi.
"Voimme myös mitata tarkasteltavien näytteiden optisia ominaisuuksia -absorptiota tai dispersiota- yksinkertaisella valodiodilla", Bernhardt sanoo. "Tätä tekniikkaa hyödynnetään nyt UV-alueella kolminkertaistamalla kompaktin yksi-kaviteetin-kampalaserin infrapunalähtö."
Kaksi{0}}kampaperiaatteen ansiosta niiden spektrometri saavuttaa miljoonan erotuskyvyn alle-sekunnissa. "Se on ainutlaatuinen yhdistelmä, jota et voi saavuttaa tavanomaisilla hilaspektrometreillä tai monokromaattoreilla", Bernhardt sanoo.
Main benefits of the group's design changes? Broad spectral coverage of >10 THz, lyhyet kuvausajat (puoli sekuntia), korkea erotuskyky 1 000 000, korkea herkkyys (absorptiopoikkileikkaukset jopa 10-22cm2/molekyyli) ja korkea tarkkuus{0}}kaikki alitutkitulla UV-spektrialueella.
"Asenteemme on mobiili, eikä se vaadi monimutkaisia elektronisia stabilointilaitteita", Bernhardt huomauttaa. "Edellinen projektimme sisälsi ylimääräisen elektronisen telineen. Yksinkertaistamalla sitä spektrometri on tulossa käyttäjäystävälliseksi-eikä vain spektroskopian asiantuntijoille."
Ennennäkemätön UV-kaksois{0}}kampaspektrometrin tarkkuus
Ryhmän mobiili UV-kaksois{0}}kampaspektrometri antoi tutkijoille mahdollisuuden mitata tarkasti formaldehydin (ilmakehän saaste ja haihtuva orgaaninen yhdiste) UV-valon absorptiomallit. Nämä mittaukset olivat niin tarkkoja, että "havaitsimme useita formaldehydiresonansseja, joita ei ole koskaan aiemmin havaittu kokeellisesti", Bernhardt sanoo. "Se oli hieno hetki!"
Itse asiassa heidän mittauksensa paljastivat, että formaldehydin pyörimisvakiot fysiikan oppikirjoissa 1960-luvulta lähtien ovat epätarkkoja. Yhteistyössä Center for Astrophysicsin Harvard & Smithsonian Atomics and Molecular Physics -osaston kanssa Bernhardt ja hänen ryhmänsä korjasivat tämän perusmolekyylispesifisen parametrin arvoja jopa 15 %.
Professori Rolf Breinbauer ja hänen ryhmänsä TU Grazin orgaanisen kemian instituutista osallistuivat tähän työhön tarjoamalla erittäin{0}}puhdasta formaldehydiä.
Luotto: Wolf/TU Graz
Laboratorion tutkijat mobiili-UV-kaksois{0}}kampaspektrometrillä-(vasemmalta oikealle) Rolf Breinbauer, Birgitta Bernhardt, Clemens Hoffman ja Mithun Pal.
Seuraavaksi: Vielä kompaktimpi ja vakaampi?
Aina missä spektritunnisteet voivat kiinnostaa, on olemassa sovelluksia mobiili-UV-kaksois{0}}kampaspektrometrille. Sitä voidaan käyttää perusspektroskopiaan (kaikkien lajien perusoptisten ominaisuuksien tutkimiseen), ilmanlaadun mittauksiin (saasteiden ilmakehän kemia), biosensointiin ja jopa lääketieteelliseen hengitysanalyysiin.
Ilmanlaadun mittausten tarkkuuden parantaminen erottuu selvästi, koska se voi auttaa selvittämään ilmansaasteiden ja sen vaikutuksen maapalloon.
"Spektrometrimme on aina toiminnassa TU Grazin Coherent Sensing -ryhmässäni", Bernhardt sanoo. "Koska tutkittavia lajeja on paljon, tutkimme tapoja tehdä instrumentista entistä kompaktimpi, jotta se voisi tehdä ilmanlaadun mittauskampanjoita."
