Ett team av forskare har hittat ett sätt att upptäcka spårgaser ner till koncentrationer på delar per kvadrillion nivå med hjälp av en ny variant av den fotoakustiska effekten, en teknik som mäter ljudet som genereras när ljus interagerar med molekyler.

"På många sätt, den fotoakustiska effekten är redan den mest praktiska tillgängliga metoden för att upptäcka föroreningar i atmosfären, sa Gerald Diebold, en professor i kemi vid Brown University och medförfattare till en ny artikel som beskriver hans labbs forskning. "Men när koncentrationen av molekylerna du försöker detektera kommer ner till delar per biljon nivå, signalen blir för svag för att upptäcka. Vi har utvecklat en ny fotoakustisk teknik som förstärker signalen och gör det möjligt för oss att komma ner till delar per kvadrillion nivå, vilket såvitt vi vet är rekord."

Studien, som var ett samarbete mellan Diebolds labb i Brown och Fapeng Yus labb vid Shandong University i Kina, publiceras i Proceedings of the National Academy of Sciences .

Den fotoakustiska effekten sker när en ljusstråle absorberas av en gas, flytande eller fast som gör att den expanderar. Expansionen är en mekanisk rörelse som resulterar i att en ljudvåg utlöses. Effekten upptäcktes först av Alexander Graham Bell på 1880-talet men var av lite praktiskt värde fram till uppfinningen av lasern, vilket – som ett resultat av dess typiskt smala linjebredd och höga effekt – gjorde fotoakustiska signaler tillräckligt stora för att vara lätta att upptäcka.

Fotoakustiska detektorer fungerar genom att zappa ett material med en laser inställd på en våglängd som absorberas av molekylen av intresse. I ett typiskt fotoakustiskt experiment, laserstrålen slås på och av med en frekvens som kan detekteras av en känslig mikrofon för att lyssna efter eventuella ljudvågor. Olika molekyler absorberar ljus vid olika frekvenser, så genom att justera laserns frekvens, det är möjligt att finjustera en detektor för specifika ämnen. Så för att leta efter ammoniak i luften, till exempel, lasern skulle vara inställd på den specifika absorptionsfrekvensen för ammoniakmolekyler. Man skulle sedan zappa ett luftprov, och om mikrofonen tar upp ljudvågor, det betyder att provet innehåller ammoniak.

Men ju mindre koncentrationen av målämnet är, desto tystare signal. Så Diebold och hans kollegor använde en okonventionell teknik för att öka signalamplituden.

"Vad vi har gjort är att ta fram en metod som bygger på tre olika resonanser, " Sa Diebold. "Signalen blir större för varje resonans."

Istället för en enda laserstråle, Diebold och hans kollegor kombinerar två strålar med en specifik frekvens och vinkel. Sammanfogningen av balkarna skapar ett galler – ett mönster av interferens mellan de två balkarna. När laserfrekvenserna är rätt inställda, gittret färdas i en detekteringscell med ljudets hastighet, skapar en förstärkningseffekt vid var och en av topparna i gittret.

Den andra resonansen skapas av en piezoelektrisk kristall som används i experimentet, som vibrerar exakt med frekvensen av de kombinerade laserstrålarna. De små tryckkrafterna i tryckvågorna inducerar gradvis rörelse i en kristall ungefär på samma sätt som små, upprepade tryck på en lekplatsgunga kan orsaka en stor amplitudrörelse hos gungan.

Den tredje resonansen genereras genom att justera längden på kaviteten i vilken kristallen är monterad så att den ger resonans när ett helt antal halva våglängder av ljudet exakt matchar kavitetens längd. Utgången av kristallen, som är piezoelektrisk så att den genererar en spänning som är proportionell mot dess oscillerande rörelse, skickas till förstärkare och känsliga elektroniska enheter för att spela in den akustiska signalen.

"En av anledningarna till att metoden med rörligt galler fungerade så bra är att professor Yus grupp vid Shandong University odlade en speciell kristall som ger väldigt stora signaler som svar på tryckvågorna, " Sa Diebold. "Vi fick höra att det tog tre månader för dem att syntetisera kristallen."

I sina experiment, forskarna visade att genom att använda dessa tre resonanser, de kunde detektera gasen svavelhexafluorid i mängder ner till delar per kvadrillion.

Diebold tror att tekniken kommer att vara användbar för att utveckla detektorer som är känsliga för mycket låga föroreningsgaskoncentrationer, eller för att detektera molekyler som har svag absorption som gör dem i sig svåra att upptäcka.

Diebold noterade att vid genomförandet av experimenten, han och hans kollegor var "förvånade över att upptäcka att eftersom frekvenserna är så höga - i hundratals kilohertz -intervallet - att det praktiskt taget inte finns någon bakgrundsstörning, antingen från elektriska källor eller från akustiskt från rumsljud, vind eller vibrationer i en byggnad. Det betyder att vi kan göra experiment i ett öppet hålrum utan att behöva blockera buller utifrån. Så om du har en deponi och du försöker upptäcka metan, till exempel, ta bara den här detektorn, Sätt den där i det fria och övervaka kontinuerligt uteffekten."

Det återstår en del arbete med att konstruera ett kompakt instrument innan denna teknik kan användas utomhus, men denna studie ger ett övertygande bevis på koncept, säger forskarna.