For et par år siden designede professor Birgitta Bernhardt og hendes gruppe ved Graz University of Technologys (TU Graz) Institut for Eksperimentel Fysik i Østrig verdens første bredbånds-UV-dobbelt-kamspektrometer til at detektere og måle luftforurenende stoffer (gasser) i realtid. Og nu har de skabt en kompakt mobilversion (se video)-endnu mere følsom og nøjagtig-til at fange molekylære fingeraftryk af luftforurenende stoffer ved høj spektral opløsning (1 GHz), bred båndbredde (12 THz) og sub-sekundsopsamling inden for en rækkevidde af 2,5 kilometer (1,55 miles).
Dobbelt-kamspektroskopi kombinerer høj spektral opløsning, bred spektral dækning og korte optagelsestider. Mens tilgangen er kendt for sine styrker inden for det infrarøde (IR) spektrale område, forbliver UV-spektralområdet noget underudforsket på grund af manglen på direkte frekvens kamkilder.
Men UV-spektralområdet "er ekstremt vigtigt, og vores enhed giver dig adgang til ikke kun rotations- og vibrationsinformation af molekylære prøver, men også excitere elektroniske overgange," siger Bernhardt. "Dette er udløserne for forskellige fotokemiske reaktioner, der er yderst relevante for fotokemien i vores atmosfære."
To laserfrekvenskamme
Dobbelt-kamspektroskopi kombinerer to laserfrekvenskamme med lidt forskellige gentagelseshastigheder, og når disse pulstog interfererer ned-konverterer den høje optiske frekvenser effektivt til det direkte tilgængelige radiofrekvensdomæne.
"Vi kan også måle de optiske egenskaber-absorption eller spredning-af prøver under undersøgelse via en simpel fotodiode," siger Bernhardt. "Denne teknik udnyttes nu i UV-området ved at frekvenstredoble IR-outputtet fra en kompakt enkelt-kavitet dobbelt-kamlaser."
Takket være dobbelt-kam-princippet når deres spektrometer opløsningsevner på en million inden for under- sekunders måletider. "Det er en unik kombination, du ikke kan nå med konventionelle gitterspektrometre eller monokromatorer," siger Bernhardt.
Main benefits of the group's design changes? Broad spectral coverage of >10 THz, korte optagelsestider (et halvt sekund), høj opløsningsevne på 1.000.000, høj følsomhed (absorptionstværsnit helt ned til 10-22cm2/molekyle) og høj præcision-alt sammen inden for det underudforskede UV-spektralområde.
"Vores opsætning er mobil og kræver ikke noget kompliceret elektronisk stabiliseringsudstyr," påpeger Bernhardt. "Vores tidligere projekt inkluderede et ekstra elektronisk stativ. Ved at forenkle det er spektrometeret på vej til at blive brugervenligt-og ikke kun af spektroskopieksperter."
Enestående UV dobbelt-kamspektrometerpræcision
Gruppens mobile UV-dobbelt-kam-spektrometer gjorde det muligt for forskerne præcist at måle UV-lysabsorptionsmønstrene for formaldehyd (en atmosfærisk forurening og flygtig organisk forbindelse). Disse målinger var så præcise, "vi opdagede et væld af formaldehydresonanser, der aldrig er blevet eksperimentelt observeret før," siger Bernhardt. "Det var et fantastisk øjeblik!"
Faktisk afslørede deres målinger, at rotationskonstanter for formaldehyd i fysiklærebøger siden 1960'erne er unøjagtige. I samarbejde med Center for Astrophysics' Harvard & Smithsonian Atomics and Molecular Physics-afdeling i USA korrigerede Bernhardt og hendes gruppe værdierne af denne fundamentale molekyle-specifikke parameter med så meget som 15 %.
Professor Rolf Breinbauer og hans gruppe ved TU Graz' Institut for Organisk Kemi bidrog til dette arbejde ved at levere formaldehyd med høj-renhed.
Kredit: Wolf/TU Graz
Forskerne i laboratoriet med det mobile UV-dobbelt-kamspektrometer-(venstre mod højre) Rolf Breinbauer, Birgitta Bernhardt, Clemens Hoffman og Mithun Pal.
Næste: Endnu mere kompakt og stabil?
Uanset hvor spektrale signaturer kan være af interesse, er der applikationer til et mobilt UV-dobbelt-kamspektrometer. Den kan bruges til fundamental spektroskopi (for at udforske fundamentale optiske egenskaber af enhver art), luftkvalitetsmålinger (atmosfærisk kemi af forurenende stoffer), biosensing og endda til medicinsk åndedrætsanalyse.
Det er klart, at forbedring af præcisionen af luftkvalitetsmålinger skiller sig ud på grund af dets potentiale til at hjælpe med at afmystificere atmosfærisk luftforurening og dens indvirkning på Jorden.
"Vores spektrometer er altid i drift i min Coherent Sensing-gruppe på TU Graz," siger Bernhardt. "Fordi der er masser af arter, der skal studeres, udforsker vi måder at gøre instrumentet endnu mere kompakt til at udføre feltkampagner med luftkvalitetsmålinger med det."
