For noen år siden designet professor Birgitta Bernhardt og hennes gruppe ved Graz University of Technologys (TU Graz) Institutt for eksperimentell fysikk i Østerrike verdens første bredbånds-UV-dobbelt-kamspektrometer for å oppdage og måle luftforurensninger (gasser) i sanntid. Og nå har de laget en kompakt mobilversjon (se video)-enda mer følsom og nøyaktig-for å fange molekylære fingeravtrykk av luftforurensninger med høy spektral oppløsning (1 GHz), bred båndbredde (12 THz) og sub-sekunders oppsamling innenfor en rekkevidde på 2,5 kilometer (1,55 miles).
Dobbel-kamspektroskopi kombinerer høy spektral oppløsning, bred spektral dekning og korte innsamlingstider. Mens tilnærmingen er kjent for sine styrker innenfor det infrarøde (IR) spektrale området, forblir UV-spektralområdet noe underutforsket på grunn av mangelen på direkte frekvenskamkilder.
Men UV-spektralområdet "er ekstremt viktig, og enheten vår lar deg ikke bare få tilgang til rotasjons- og vibrasjonsinformasjon for molekylære prøver, men også begeistre elektroniske overganger," sier Bernhardt. "Dette er utløserne for ulike fotokjemiske reaksjoner som er svært relevante for fotokjemien i atmosfæren vår."
To laserfrekvenskammer
Dobbel-kamspektroskopi kombinerer to laserfrekvenskammer med litt forskjellige repetisjonshastigheter, og når disse pulstogene forstyrrer den ned-konverterer den høye optiske frekvenser effektivt til det direkte tilgjengelige radiofrekvensdomenet.
"Vi kan også måle de optiske egenskapene-absorpsjonen eller spredningen-av prøver under gransking via en enkel fotodiode," sier Bernhardt. "Denne teknikken blir nå utnyttet i UV-området ved å frekvenstredoble IR-utgangen til en kompakt enkelt-kavitet dobbel-kamlaser."
Takket være dobbelt-kam-prinsippet når spektrometeret deres oppløsningsevner på én million i løpet av under- sekunders måletider. "Det er en unik kombinasjon du ikke kan nå med konvensjonelle gitterspektrometre eller monokromatorer," sier Bernhardt.
Main benefits of the group's design changes? Broad spectral coverage of >10 THz, korte opptakstider (et halvt sekund), høy oppløsningsevne på 1 000 000, høy følsomhet (absorpsjonstverrsnitt så lavt som 10-22cm2/molecule), og høy presisjon-alt innenfor det underutforskede UV-spektralområdet.
"Vårt oppsett er mobilt og krever ikke noe komplisert elektronisk stabiliseringsutstyr," påpeker Bernhardt. "Vårt forrige prosjekt inkluderte et ekstra elektronisk stativ. Ved å forenkle det er spektrometeret på vei til å bli brukervennlig-og ikke bare av spektroskopieksperter."
Enestående UV dobbel-kamspektrometerpresisjon
Gruppens mobile UV-dobbelt-kamspektrometer gjorde det mulig for forskerne å nøyaktig måle UV-lysabsorpsjonsmønstrene til formaldehyd (en atmosfærisk forurensning og flyktig organisk forbindelse). Disse målingene var så nøyaktige, "vi oppdaget en mengde formaldehydresonanser som aldri har vært eksperimentelt observert før," sier Bernhardt. "Det var et flott øyeblikk!"
Faktisk avslørte målingene deres at rotasjonskonstantene til formaldehyd i fysikklærebøker siden 1960-tallet er unøyaktige. I samarbeid med Center for Astrophysics' Harvard & Smithsonian Atomics and Molecular Physics-avdeling i USA, korrigerte Bernhardt og hennes gruppe verdiene til denne fundamentale molekylspesifikke parameteren med så mye som 15 %.
Professor Rolf Breinbauer og hans gruppe ved TU Graz's Institute of Organic Chemistry bidro til dette arbeidet ved å gi høy-renhet formaldehyd.
Kreditt: Wolf/TU Graz
Forskerne i laboratoriet med det mobile UV-dobbelt-kamspektrometeret-(venstre til høyre) Rolf Breinbauer, Birgitta Bernhardt, Clemens Hoffman og Mithun Pal.
Neste opp: Enda mer kompakt og stabil?
Uansett hvor spektrale signaturer kan være av interesse, finnes det applikasjoner for et mobilt UV-dobbelt-kamspektrometer. Den kan brukes til fundamental spektroskopi (for å utforske fundamentale optiske egenskaper til enhver art), luftkvalitetsmålinger (atmosfærisk kjemi av forurensninger), biosensing og til og med for medisinsk pusteanalyse.
Å forbedre presisjonen av luftkvalitetsmålinger skiller seg tydeligvis ut på grunn av potensialet til å avmystifisere atmosfærisk luftforurensning og dens innvirkning på jorden.
"Vårt spektrometer er alltid i drift i min Coherent Sensing-gruppe ved TU Graz," sier Bernhardt. "Fordi det er mange arter som skal studeres, utforsker vi måter å gjøre instrumentet enda mer kompakt for å gjøre feltkampanjer for luftkvalitetsmålinger med det."
