Proces til optisk analyse af sporgasser optimeret

Laserbaseret absorptionsspektroskopi er en vigtig metode til at bestemme koncentrationen af ​​gaskomponenter i en prøve. Moderne enheder er højt specialiserede til at detektere meget specifikke gasser, såsom sporgasser i atmosfæren, i forbrændingsudstødningsgasser og i tekniske anvendelser af plasmaer.

For at gøre det måler de andelen af ​​lys af en bestemt bølgelængde, der absorberes eller dæmpes af en prøve. Dette gør det muligt at bestemme koncentrationen af ​​gassen. Den valgte detektionsbølgelængde afhænger af hvilket molekyle der skal måles.

Et almindeligt problem er, at forskellige molekyler kan absorbere det samme lys - selv ved en smart valgt bølgelængde. "Absorptionsspektrene for de forskellige gasmolekyler overlapper nogle gange meget betydeligt. Det betyder, at hvis jeg vil detektere molekyle A, får jeg også altid en varierende grad af stærkt signal fra molekyle B," forklarede professor Gernot Friedrichs fra Institut for Fysisk Kemi. ved Kiel University (CAU).

Denne såkaldte krydsfølsomhed begrænser effektiviteten af ​​målemetoden. Til dato er dette problem enten blevet elimineret eller i det mindste reduceret ved yderligere målinger ved forskellige bølgelængder, dvs. måling af spektre, eller de forstyrrende gasser adskilles ved hjælp af gaskromatografimetoder før den egentlige måling.

Friedrichs og hans tidligere ph.d.-kandidat, Dr. Ibrahim Sadiek fra Leibniz Institute for Plasma Science and Technology e.V. (INP), Greifswald, har nu vist, at der er en nemmere løsning. De har udviklet en metode til at overvinde denne krydsfølsomhed i absorptionsspektroskopi, selv når målinger kun udføres ved én bølgelængde.

Gennemførlighedsstudiet for den nye, patentanmeldte to arter-en bølgelængde (2S1W) metode baseret på selektiv optisk mætning blev for nylig offentliggjort i tidsskriftet Scientific Reports .

Eliminering af forstyrrende signaler ved hjælp af optisk mætning

Den nye metode udnytter fænomenet optisk mætning i molekyler. Tilstanden af ​​optisk mætning opstår kun ved høje lysintensiteter, som i dag ganske let kan genereres med lasere. Molekylerne bliver derefter "gennemsigtige" til absorptionsspektroskopi, hvilket betyder, at det bestrålede lys ikke længere dæmpes. Det punkt, hvor prøven bliver gennemsigtig, er en egenskab af den respektive gastype.

Hidtil har optisk mætning været anset for at være ufordelagtig til absorptionsmålinger og dermed undgået så meget som muligt, da det forvrænger koncentrationsmålingen. Men Sadiek og Friedrichs har nu demonstreret i deres undersøgelse, at udnyttelse af selektiv optisk mætning endda kan hjælpe til separat at bestemme koncentrationerne af to fuldstændigt gensidigt interfererende molekyler ved en fast bølgelængde.

"For at gøre det varierede vi lysintensiteten meget hurtigt og over et bredt område i en speciel målecelle. Ved lav lysintensitet måles summen af ​​absorptionerne af begge arter, og ved høj lysintensitet er et af molekylerne Så vi opdagede kun signalet fra én art. I vores tilfælde blev methylchloridet detekteret, da metanet allerede var mættet," understregede Sadiek. "Da vi prøvede dette første gang, var vi fascineret af, hvor godt det faktisk virker at adskille signalerne fra begge arter på denne konceptuelt enkle måde."

Et typisk problem i praksis er for eksempel at påvise klorerede kulbrinter, som forekommer i meget lave koncentrationer i atmosfæren. "Hvis man vil detektere dem uden at adskille blandingen på forhånd, støder man automatisk på det problem, at de sporgasser, der findes i højere koncentrationer, såsom kuldioxid eller metan og især vanddamp, altså luftfugtigheden, forstyrrer målingen. Med vores metode, kan vi simpelthen gøre disse forstyrrende gasser usynlige i spektret," forklarede Friedrichs.

Hans gruppe arbejder i øjeblikket på havforskningsprojekter for at videreudvikle metoden til brug i konventionelle absorptionsspektrometre. Potentialet for at reducere krydsfølsomhed vil derefter blive demonstreret i feltmålinger for bedre at kunne undersøge udvekslingsprocesser ved vand-luft-grænsefladen. Metoden er i princippet også velegnet til samtidig påvisning af et stort antal sporgasser, forudsat at de har en tilstrækkelig forskellig mætningsintensitet.

Flere oplysninger: Ibrahim Sadiek et al., To arter – en bølgelængdedetektion baseret på selektiv optisk mætningsspektroskopi, Scientific Reports (2023). DOI:10.1038/s41598-023-44195-3

Journaloplysninger: Videnskabelige rapporter

Leveret af Kiel University