En verdensrekord i påvisning af ekstremt lave niveauer af gasforureninger

Fotoakustisk spektroskopi anvendt til baggrundsfrie analyser blev brugt til at måle hidtil uset små sporgaskoncentrationer. Teemu Tomberg fra University of Helsinki udviklede detektionsmetoder, der gør det muligt at måle ekstremt små spor af forskellige gasser.

Hvorfor skal lave koncentrationer måles?

Sporgasser betegner stoffer, der forekommer i meget små mængder i luft og andre medier. På trods af deres lave koncentrationer, sporgasser kan have en væsentlig indflydelse på de kemiske egenskaber af gasformige forbindelser. Af denne grund, deres præcise identifikation og kvantificering er vigtig.

I sin doktorafhandling, Teemu Tomberg fokuserede på at udvikle sporgasdetektionsmetoder baseret på baggrundsfri laserabsorptionsspektroskopi.

"Baggrundsfri betyder, at der gøres et forsøg på at eliminere eventuelle forstyrrende signaler, der ikke stammer fra målet, der måles, siger Tomberg.

De pågældende metoder har særlige egenskaber, der gør dem velegnede til at detektere ekstremt lave gaskoncentrationer. Sådanne karakteristika omfatter skalerbarhed med optisk effekt kombineret med reduceret følsomhed over for optiske strømudsving.

Laserstråler og lydbølger

I sit speciale, Tomberg brugte to spektroskopiske tilgange:en ny interferometrisk metode til måling af baggrundsfri bredbåndsabsorptionsspektre, og cantilever-forstærket fotoakustisk spektroskopi.

Forskningen blev udført ved Institut for Kemi ved Helsinki Universitet. Tomberg udførte sit arbejde i Laser Spectroscopy Group og hans vejledere var gruppeleder, Lektor Markku Vainio og professor Lauri Halonen.

"Jeg udførte målingerne i det mellem-infrarøde område ved hjælp af en række forskellige laserlyskilder, såsom optiske parametriske oscillatorer, optiske frekvenskamme og kvantekaskadelasere, siger Tomberg.

Blandt Tombergs præstationer var at demonstrere den nye baggrundsfrie interferometriske måleteknik ved hjælp af et avanceret mellem-infrarødt dual-comb spektrometer. Undersøgelsen blev udført på CREOL, College of Optics and Photonics, under tilsyn af professor Konstantin Vodopyanov.

Gennem sine målinger, Tomberg demonstrerede, at den nye teknik forbedrer signal-til-støj-forholdet for absorptionsspektroskopi med omtrent en faktor fem sammenlignet med almindelig direkte absorptionsspektroskopi. Den opnåede fordel var begrænset af den lave optiske effekt af de anvendte lasere, og signal-til-støj-forholdet kan faktisk forbedres yderligere ved at bruge højeffektlasere.

Ved undersøgelse af cantilever-forbedret fotoakustisk spektroskopi, Tomberg nåede detekteringsfølsomheder på rekordniveau ved at anvende høj optisk effekt.

En konkurrent til coronavirus-hunde?

Metoderne udviklet af Tomberg har et interessant anvendelsespotentiale.

Kombinationen af ​​dem med gaskromatografi muliggør stadig mere pålidelige analyser af selv komplekse gasblandinger, der indeholder forbindelser med både små og store molekylvægte. En sådan anvendelse ville være en kunstig næse til påvisning af sygdomme.

Imidlertid, Fordelen ved hunde er deres evne til at opdage coronavirus, selv uden at vi ved præcist, hvilke molekyler de lugter. For at en kunstig næse skal fungere efter hensigten, de relevante biomarkørmolekyler, der skal måles, bør først identificeres.

Undersøgelsen åbner nye veje for udvikling af udstyr til feltanvendelser. Tombergs fund illustrerer, hvordan laserabsorptionsspektroskopi kan bruges som en avanceret detektorgaskromatograf, især i feltapplikationer, hvor kompakthed og vedligeholdelsesfri drift af lasere er nyttige.