Ny fotoakustisk teknik registrerer gasser på dele-per-quadrillion niveau

Et team af forskere har fundet en måde at detektere sporgasser ned til koncentrationer på dele-per-quadrillion niveau ved hjælp af en ny variation af den fotoakustiske effekt, en teknik, der måler den lyd, der genereres, når lys interagerer med molekyler.

"På mange måder, den fotoakustiske effekt er allerede den mest praktiske metode til rådighed til at påvise forurenende stoffer i atmosfæren, " sagde Gerald Diebold, en professor i kemi ved Brown University og medforfatter af et nyt papir, der beskriver hans laboratoriums forskning. "Men når koncentrationen af ​​de molekyler, du forsøger at detektere, kommer ned på dele-per-billion-niveauet, signalet bliver for svagt til at registrere. Vi har udviklet en ny fotoakustisk teknik, der øger signalet og gør det muligt for os at komme ned til del-per-kvadrillion-niveauet, hvilket så vidt vi ved er rekord."

Studiet, som var et samarbejde mellem Diebolds laboratorium i Brown og Fapeng Yus laboratorium ved Shandong University i Kina, er offentliggjort i Proceedings of the National Academy of Sciences .

Den fotoakustiske effekt finder sted, når en lysstråle absorberes af en gas, flydende eller fast stof, der får det til at udvide sig. Udvidelsen er en mekanisk bevægelse, der resulterer i lanceringen af ​​en lydbølge. Effekten blev først opdaget af Alexander Graham Bell i 1880'erne, men var af ringe praktisk værdi indtil opfindelsen af ​​laseren, som - som et resultat af dens typisk smalle linjebredde og høje effekt - gjorde fotoakustiske signaler store nok til let at kunne detekteres.

Fotoakustiske detektorer virker ved at zappe et materiale med en laser afstemt til en bølgelængde, der absorberes af molekylet af interesse. I et typisk fotoakustisk eksperiment, laserstrålen tændes og slukkes ved en frekvens, der kan detekteres af en følsom mikrofon for at lytte efter eventuelle lydbølger, der produceres. Forskellige molekyler absorberer lys ved forskellige frekvenser, så ved at justere frekvensen af ​​laseren, det er muligt at finjustere en detektor til specifikke stoffer. Så for at lede efter ammoniak i luften, for eksempel, laseren ville være indstillet til den specifikke absorptionsfrekvens for ammoniakmolekyler. Man ville så zappe en luftprøve, og hvis mikrofonen opfanger lydbølger, det betyder, at prøven indeholder ammoniak.

Men jo mindre koncentrationen af ​​målstoffet er, jo mere støjsvagt signalet er. Så Diebold og hans kolleger brugte en ukonventionel teknik til at øge signalamplituden.

"Det, vi har gjort, er at udtænke en metode, der er afhængig af tre forskellige resonanser, "Diebold sagde." Signalet bliver større for hver resonans. "

I stedet for en enkelt laserstråle, Diebold og hans kolleger kombinerer to stråler med en bestemt frekvens og vinkel. Forbindelsen af ​​bjælkerne skaber et gitter - et mønster af interferens mellem de to bjælker. Når laserfrekvenserne er indstillet helt rigtigt, gitteret bevæger sig i en detektionscelle med lydens hastighed, skaber en forstærkningseffekt på hver af toppene i gitteret.

Den anden resonans er skabt af en piezoelektrisk krystal brugt i eksperimentet, som vibrerer præcist med frekvensen af ​​de kombinerede laserstråler. De små trykkræfter i trykbølgerne fremkalder gradvist bevægelse i en krystal meget på samme måde som små, gentagne skub af en legepladsgynge kan forårsage en stor amplitudebevægelse af gyngen.

Den tredje resonans genereres ved at justere længden af ​​hulrummet, hvori krystallen er monteret, så den giver resonans, når et helt antal halve bølgelængder af lyden nøjagtigt matcher hulrummets længde. Udgangen af ​​krystallen, som er piezoelektrisk, så den genererer en spænding, der er proportional med dens oscillerende bevægelse, sendes til forstærkere og følsomme elektroniske enheder for at optage det akustiske signal.

"En af grundene til, at den bevægelige gittermetode fungerede så godt, er, at professor Yus gruppe ved Shandong University voksede en særlig krystal, der giver meget store signaler som reaktion på trykbølgerne, " sagde Diebold. "Vi fik at vide, at det tog dem tre måneder at syntetisere krystallen."

I deres eksperimenter, forskerne viste, at ved at bruge disse tre resonanser, de var i stand til at detektere gassvovlhexafluorid i mængder ned til delene pr. kvadrillion.

Diebold mener, at teknikken vil være nyttig til at udvikle detektorer, der er følsomme over for meget lave forurenende gaskoncentrationer, eller til at detektere molekyler, der har svage absorptioner, der gør dem i sagens natur svære at opdage.

Diebold bemærkede, at ved udførelsen af ​​eksperimenterne han og hans kolleger var "overrasket over at opdage, at fordi frekvenserne er så høje - i hundredvis af kilohertz-området - at der praktisk talt ikke er nogen baggrundsinterferens, enten fra elektriske kilder eller fra akustisk fra rumstøj, vind eller vibrationer i en bygning. Det betyder, at vi kan lave eksperimenter i et åbent hulrum uden at skulle blokere for støj udefra. Så hvis du har en losseplads, og du forsøger at opdage metan, for eksempel, du tager bare denne detektor, sæt den der i fri luft og overvåg løbende outputtet."

Der er stadig noget arbejde med at konstruere et kompakt instrument, før denne teknik kan bruges udendørs, men denne undersøgelse giver et overbevisende bevis på konceptet, siger forskerne.