Forskere øger følsomheden af ​​terahertz -gasanalyser væsentligt

Et nyt fremskridt lover at øge følsomheden for højopløselige spektrometre, der udfører kemisk analyse ved hjælp af terahertz-bølgelængder. Denne højere følsomhed kan gavne mange applikationer, såsom analyse af de komplekse gasblandinger, der findes i industrielle emissioner og påvisning af biomarkører af sygdom i patienternes ånde. Det kan også føre til nye måder at opdage ødelæggelse af mad gennem gaspåvisning.

I Optica , The Optical Society's (OSA) journal for high impact research, forskere ledet af Gaël Mouret fra Université du Littoral-Côte d "Opale i Frankrig rapporterer om et nyt højtydende optisk hulrum til terahertz-frekvenser. De brugte dette hulrum til at demonstrere den første overbevisende hulrumsforbedrede spektroskopi udført med terahertz-frekvenser.

Terahertz -frekvenser ligger mellem mikrobølger og infrarøde lysbølger på det elektromagnetiske spektrum. Til spektroskopisk gasanalyse, terahertz -frekvenser forbedrer evnen til at skelne mellem molekyler i en prøve og til at detektere en lang række forskellige molekyler. Imidlertid, den teknologi, der er nødvendig for at udnytte disse frekvenser fuldt ud, er stadig under udvikling.

"Flere undersøgelser har brugt terahertz -frekvenser til at analysere industrigasser, der udsendes til atmosfæren, men de er alle blevet forhindret af mangel på følsomhed, "sagde forskerholdsmedlem Francis Hindle." Vores nye optiske hulrum vil udvide de typer molekyler, der kan identificeres med terahertz gasfasespektroskopi og forbedre det mulige detekteringsniveau. "

Øget følsomhed

Forskerne brugte nyligt tilgængelige komponenter til at konstruere et højfinish terahertz optisk hulrum, et arrangement af spejle og en bølgeleder, der begrænser lys, så det reflekterer flere gange. Optiske hulrum med høj finhed udviser meget lavt lystab og lader dermed lyset hoppe mellem spejlene flere gange, før det forlader hulrummet. De nye komponenter omfattede en cirkulær bølgepap med lav tab og to stærkt reflekterende fotoniske spejle, der er specielt designet til at fungere godt ved terahertz-frekvenser.

Til hulrumsforbedret spektroskopi, en gasblanding placeres i det optiske hulrum, hvor den interagerer med lyset indeni. Det nye hulrum tillader terahertz -bølger at hoppe frem og tilbage omkring 3000 gange, før de forlader. Det betyder, at molekyler under analyse interagerer med terahertz -frekvenserne over en effektiv afstand på cirka en kilometer inde i en resonator, der kun er 50 centimeter lang. Når bølgerne hopper rundt, de kan absorberes mange gange af alle tilstedeværende molekyler, muliggør en meget følsom måling.

"Et hulrum med denne finesse har ikke tidligere været tilgængeligt ved terahertz -frekvenser, "sagde Hindle." Denne fremgang gør det muligt at anvende terahertz -frekvenser på mange meget følsomme teknikker, der allerede er brugt i infrarød. "

Påvisning af sjældne molekyler

For at demonstrere hulrumsforbedret spektroskopi af en gas med deres nye enhed, forskerne analyserede en prøve af carbonylsulfidgas, som naturligt findes i atmosfæren. Selvom gasprøven indeholdt mange isotoper af carbonylsulfid, forskerne var i stand til at måle en meget sjælden isotop til stede i en koncentration på kun et molekyle pr. 50, 000 molekyler. Måling af forholdet mellem forskellige kemiske isotoper i en prøve kan bruges til at bestemme kilden til et forurenende stof.

Forskerne planlægger at udvide frekvensområdet for spektrometeret, så det kan bruges til at analysere endnu mere komplekse molekyler og blandinger.

"Vores forskning viser, at det nu er let at konstruere terahertz-hulrum med høj finesse og bruge dem til måling af gasser i høj opløsning, "sagde Hindle." Dette kan bidrage til forbedret overvågning af et stort udvalg af gasser, der findes i meget lave mængder til anvendelser fra miljø- og industriforurening til medicin. "