Forskare vid University of Michigan har utvecklat en laserbaserad metod som kan användas för att snabbt och exakt upptäcka kemikalier som sprängämnen och farliga gaser.

Så småningom, denna metod kan användas i system placerade på flygplatser, för miljöövervakning av föroreningar eller till och med på slagfält, sa författaren Steven Cundiff, fysikprofessor vid Litteraturhögskolan, Vetenskap, och konsten. Studien, utförd av fysikforskaren Bachana Lomsadze, publicerar idag i Vetenskap .

Lomsadze och Cundiffs metod kombinerar två tekniker som påskyndar laserbaserad detektion av kemikalier samtidigt som de gör det exakt. Den första tekniken är baserad på samma idé som kärnmagnetisk resonansspektroskopi, som använder radiofrekvenser för att identifiera molekylernas struktur. Här, forskarna använder en metod som kallas flerdimensionell koherent spektroskopi, eller MDCS. MDCS använder ultrakorte laserpulser för att läsa typer av gaser som en streckkod. När forskarna studsar laserpulserna genom blandningen av gaser, dessa pulser kan "läsa" de specifika våglängderna för ljus - eller färg - som specifika gaser absorberar.

"Om du har ljus som går genom gasen, och, till exempel, du använder ett prisma för att skilja vitt ljus till färgat ljus, i regnbågens spektrum skulle du se att det skulle finnas svarta ränder, "Cundiff sa." Där de svarta ränderna nästan ger dig en streckkod som berättar vilken typ av molekyl som finns i provet. "

Forskare har arbetat med liknande, enklare metoder. Många viktiga molekyler har ett mycket rikt spektrum för vissa ljusfärger - även om "färgerna" faktiskt kan finnas i det infraröda, så inte synligt det mänskliga ögat - vilket gör dem lätt identifierbara. Men detta blir svårt när forskare försöker identifiera gaser i en blandning. Tidigare, forskare förlitade sig på att jämföra vad de mätte mot en katalog av molekyler, en process som kräver högpresterande datorer och en betydande tid.

"Det är som att försöka titta på tre människors fingeravtryck ovanpå varandra. Detta är en stötesten för att använda dessa metoder i en verklig situation, "Cundiff sa." Vår metod tar cirka 15 minuter till några timmar med traditionella metoder för MDCS. "

För att påskynda processen samtidigt som dess noggrannhet bevaras, U-M-forskarna kombinerade MDCS med en annan metod som kallas dual comb-spektroskopi.

Frekvenskammar är laserkällor som genererar spektra som består av lika stora skarpa linjer som används som linjaler för att mäta spektralegenskaper hos atomer och molekyler med extremt hög precision. I spektroskopi, med två frekvenskammar, känd som dubbelkammspektroskopi, ger ett elegant sätt att snabbt skaffa ett högupplöst spektrum utan mekaniska rörliga element som en "hörnkub, "som är tre speglar arrangerade för att göra ett hörn, används för att reflektera en laserstråle direkt tillbaka på sig själv. Detta element begränsar vanligtvis hur lång tid det tar för forskarna att mäta ett spektrum.

"Detta tillvägagångssätt kan tillåta metoden för flerdimensionell koherent spektroskopi att undkomma labbet och användas för praktiska tillämpningar som att upptäcka sprängämnen eller övervaka atmosfäriska beståndsdelar, "Sa Cundiff.

Lomsadze och Cundiff tillämpade sin metod på en ånga av rubidiumatomer som innehöll två rubidiumisotoper. Frekvensskillnaden mellan absorptionslinjer för de två isotoperna är för liten för att observeras med traditionella metoder för MDCS, men med hjälp av kammar, Lomsadze och Cundiff kunde lösa dessa linjer och tilldela isotopernas spektra baserat på hur energinivåerna var kopplade till varandra. Deras metod är allmän och kan användas för att identifiera kemikalier i en blandning utan att tidigare veta blandningen av blandningen.

Nästa, forskarna planerar att lägga till en tredje laser som ännu högre kan påskynda deras förmåga att identifiera gaser. De planerar också att använda lasrar baserade på fiberoptik så att de kan titta längre in i infrarött ljus, vilket skulle utöka antalet kemikalier som de skulle kunna identifiera.