Følsom ny laserteknik registrerer flygtige organiske forbindelser

Forskere har udviklet en ny måde at betjene miniature quantum cascade lasers (QCLs) til hurtigt at måle absorptionsspektre for forskellige organiske molekyler i luften samtidigt. Teknikken tilbyder en følsom metode til at detektere lave koncentrationer af flygtige organiske forbindelser (VOC'er), forbedring af evnen til at spore, hvordan disse forbindelser påvirker menneskers sundhed, industrielle processer og luftkvalitet. Det nye system kunne også forbedre pålideligheden af ​​åndedrætstest ved mere selektivt at skelne mellem ethanol og de andre gasser, som mennesker ånder ud.

QCL'er er lavet af flere lag af halvledere arrangeret for at øge fotonemissioner ved at udnytte kvanteeffekter. Forskerne designede et QCL -baseret setup, der måler forbindelser, der absorberer elektromagnetisk stråling på tværs af et bredt spektrum med en enkelt laser, en opgave, der tidligere ville have krævet, at flere lasere arbejdede sammen.

VOC findes normalt i bilens udstødning, opløsningsmidler, byggematerialer og mange andre produkter. De kan være skadelige for mennesker og økosystemer, og de bidrager til troposfærisk ozonproduktion og til global opvarmning. Realtidsmetoder til at identificere og spore VOC'er er vigtige for forurenings- og klimaforskere, folkesundhedsorganisationer, producenter, førstehjælpere og afsendere, blandt andre.

Det nye system, baseret på en elektrisk afstembar infrarød laser uden mekaniske dele, giver tilstrækkelig præcision og scanner et bredt område af optiske frekvenser til samtidig at identificere flere arter, der er til stede og bestemme deres koncentrationer. De schweiziske forskere, ledet af Lukas Emmenegger fra Empa, et materialevidenskabeligt og teknologisk institut, vil beskrive deres nye metode på The Optical Society's Optical Sensors and Sensing Congress, som finder sted fra den 25. til 27. juni i San Jose, Californien, under Sensors Expo 2019.

Åbning af smalle vinduer til et bredt spektrum

I modsætning til opgaven med at detektere en enkelt kemisk forbindelse, identifikation af de forskellige arter inden for VOC'er kræver, at QCL's optiske output køres på tværs af et meget bredt frekvensområde. For at opnå dette, forskerne brugte en relativt ny type QCL, optimeret til at kunne justeres over et bredere end normalt emissionsfrekvensområde, kendt som en Very Large Tuning QCL (QC-XT), og drev enheden i en intermitterende tilstand for at maksimere optisk tuning og minimere laserens energiforbrug.

Derefter introducerede de hovedinnovationen i den nye tilgang:Ved at opvarme laserens for- eller bagspejl med korte pulser af elektrisk strøm, de fandt ud af, at de kunne vælge det frekvensinterval, laseren ville producere ved den såkaldte Vernier-effekt. Ved hjælp af denne tilgang, opsætningen bevæger sig i det væsentlige gennem flere observationskanaler langs molekylets absorptionsspektrum, hvor præcise detaljer kan måles og sammenlignes med kendte spektrale træk, tilbyder næsten kontinuerlig dækning på tværs af et bredt frekvensområde med stor præcision.

"Den hurtige omstilling mellem forskellige kanaler i QCL tilbyder en hidtil uset realtids-selektivitet og følsomhed til påvisning af VOC'er, sagde Emmenegger.

"Høj præcision VOC målinger domineres i øjeblikket af klassiske metoder, såsom gaskromatografi eller massespektrometri. Kombinationen af ​​den høje spektrale opløsning af veletablerede distribuerede feedback-QCL'er med multi-kanalkapaciteten af ​​QC-XT kan blive en game-changer inden for VOC-analyse, "Tilføjede Emmenegger.

Hurtig og følsom registrering

Denne innovative analytiske tilgang egner sig særligt godt til hurtig genkendelse af bredt fordelte spektrale træk ved VOC'er. For at teste metoden, holdet brugte deres nye opsætning til samtidig at måle de infrarøde spektre af en blanding af methanol, ethanol og acetaldehyd.

Demonstrationen viste, at metoden med succes adskiller hver molekylart fra de andre og er hurtig og følsom. En målerunde gennem seks forskellige spektrale kanaler tog i alt 18 millisekunder. Mens individuelle kanaler scannes med meget høj spektral opløsning inden for kun 50 mikrosekunder, det meste af tiden bruges på at justere den elektriske opvarmning af laserkomponenterne for at vælge den næste kanalplacering langs spektrene.

Systemet vurderede molekylkoncentrationer så lave som 50 parts per million med en præcision på 50 parts per billion. Med videre arbejde, forskerne mener, at systemet kunne opnå endnu større følsomhed.

Forbedring af åndedrætsanalyse

Ud over at være primet til en række applikationer inden for miljø- og erhvervsmæssig VOC -detektion, det nye system kan finde anvendelse i medicinsk åndedrætsanalyse eller forbedre nuværende anvendte standarder for måling af indånding af alkohol.

I et papir offentliggjort den 12. februar i The Optical Societys tidsskrift Optik Express , Empa -teamet rapporterer påvisning af alkohol i luften ved koncentrationer så lave som 9 dele pr. milliard ved hjælp af en QCL. Disse resultater tyder på, at brug af QCL-laserbaserede spektrometre til åndealkoholanalyse kan tilbyde en vej til globalt forbedret pålidelighed og standardisering af verdens hyppigste retsmedicinske test, siger forskere.