Forskare har utvecklat ett nytt sätt att använda miniatyrkvantkaskadlasrar (QCL) för att snabbt mäta absorptionsspektra för olika organiska molekyler i luften samtidigt. Tekniken erbjuder en känslig metod för att detektera låga koncentrationer av flyktiga organiska föreningar (VOC), förbättra förmågan att spåra hur dessa föreningar påverkar människors hälsa, industriella processer och luftkvalitet. Det nya systemet kan också förbättra tillförlitligheten för andningssprit genom att mer selektivt skilja mellan etanol och de andra gaserna som människor andas ut.
QCL är gjorda av flera lager av halvledare som är utformade för att öka fotonutsläpp genom att utnyttja kvanteffekter. Forskarna utformade en QCL -baserad installation som mäter föreningar som absorberar elektromagnetisk strålning över ett brett spektrum med en enda laser, en uppgift som tidigare skulle ha krävt att flera lasrar samarbetade.
VOC finns vanligtvis i fordonsavgaser, lösningsmedel, byggmaterial och många andra produkter. De kan vara skadliga för människor och ekosystem, och de bidrar till troposfärisk ozonproduktion och till global uppvärmning. Realtidsmetoder för att identifiera och spåra VOC är viktiga för föroreningar och klimatforskare, folkhälsoorganisationer, tillverkare, första svarare och avsändare, bland andra.
Det nya systemet, baserad på en elektriskt avstämbar infraröd laser utan mekaniska delar, ger tillräcklig precision och skannar ett tillräckligt stort antal optiska frekvenser för att samtidigt identifiera flera arter som finns och bestämma deras koncentrationer. De schweiziska forskarna, ledd av Lukas Emmenegger från Empa, ett materialvetenskaps- och teknikinstitut, kommer att beskriva deras nya metod vid The Optical Society's Optical Sensors and Sensing Congress, som kommer att äga rum 25-27 juni i San Jose, Kalifornien, under Sensors Expo 2019.
Öppna smala fönster mot ett brett spektrum
Till skillnad från uppgiften att upptäcka en enda kemisk förening, att identifiera de olika arterna inom VOC kräver att man ringer QCL:s optiska utgång över ett mycket brett frekvensområde. För att åstadkomma detta, forskarna använde en relativt ny typ av QCL, optimerad för att vara justerbar över ett bredare än vanligt emissionsfrekvensområde, känd som en Very Large Tuning QCL (QC-XT), och drev enheten i ett intermittent läge för att maximera optisk tuning och minimera laserns energiförbrukning.
Sedan introducerade de den viktigaste innovationen i det nya tillvägagångssättet:Genom att värma laserns främre eller bakre spegel med korta pulser av elektrisk ström, de fann att de kunde välja det frekvensintervall som lasern skulle producera med den så kallade Vernier-effekten. Med denna metod, installationen rör sig i huvudsak genom flera observationskanaler längs molekylens absorptionsspektrum där exakta detaljer kan mätas och jämföras med kända spektralegenskaper, erbjuder nästan kontinuerlig täckning över ett brett frekvensområde med stor precision.
"Den snabba växlingen mellan olika kanaler i QCL erbjuder oöverträffad realtidsselektivitet och känslighet för detektion av VOC, "Sa Emmenegger.
"VOC-mätningar med hög precision domineras för närvarande av klassiska metoder, såsom gaskromatografi eller masspektrometri. Att kombinera den höga spektralupplösningen för väletablerade QCL med distribuerad feedback och QC-XT:s flerkanalskapacitet kan bli en spelväxlare inom VOC-analys, "Tillade Emmenegger.
Snabb och känslig upptäckt
Detta innovativa analytiska tillvägagångssätt lämpar sig särskilt bra för snabb igenkänning av spektrala egenskaper hos VOC:er med stor spridning. För att testa metoden, laget använde sin nya installation för att samtidigt mäta de infraröda spektra av en blandning av metanol, etanol och acetaldehyd.
Demonstrationen visade att metoden framgångsrikt skiljer varje molekylart från de andra och är snabb och känslig. En mätningsrunda genom sex olika spektralkanaler tog totalt 18 millisekunder. Medan enskilda kanaler skannas med mycket hög spektral upplösning inom bara 50 mikrosekunder, det mesta av tiden går åt till att justera den elektriska uppvärmningen av laserkomponenterna för att välja nästa kanalplats längs spektra.
Systemet bedömde molekylkoncentrationer så låga som 50 delar per miljon med en precision på 50 delar per miljard. Med ytterligare arbete, forskarna tror att systemet kan uppnå ännu större känslighet.
Förbättrad andningsanalys
Förutom att vara grundad för en rad applikationer för miljö- och yrkesmässig VOC -detektion, det nya systemet kan hitta tillämpning i medicinsk andetagsanalys eller för att förbättra för närvarande använda standarder för mätning av andningsalkoholhalt.
I en artikel publicerad den 12 februari i The Optical Society's journal Optik Express , Empa -teamet rapporterar upptäckt av alkohol i luften vid koncentrationer så låga som 9 delar per miljard med hjälp av en QCL. Dessa resultat tyder på att användning av QCL-laserbaserade spektrometrar för andningsalkoholanalys kan erbjuda en väg till globalt förbättrad tillförlitlighet och standardisering av världens vanligaste rättsmedicinska test, säger forskare.
