Fotoakustisk spektroskopi tillämpad på bakgrundsfria analyser användes för att mäta oöverträffat små spårgaskoncentrationer. Teemu Tomberg från Helsingfors universitet utvecklade detektionsmetoder som gör det möjligt att mäta extremt små spår av olika gaser.

Varför ska låga koncentrationer mätas?

Spårgaser betecknar ämnen som förekommer i mycket små mängder i luft och andra medier. Trots deras låga koncentrationer, spårgaser kan ha en betydande inverkan på de kemiska egenskaperna hos gasformiga föreningar. Av denna anledning, deras exakta identifiering och kvantifiering är viktig.

I sin doktorsavhandling, Teemu Tomberg fokuserade på att utveckla spårgasdetektionsmetoder baserade på bakgrundsfri laserabsorptionsspektroskopi.

"Bakgrundsfritt innebär att man försöker eliminera eventuella störande signaler som inte kommer från målet som mäts, säger Tomberg.

Metoderna i fråga har speciella egenskaper som gör dem väl lämpade för att detektera extremt låga gaskoncentrationer. Sådana egenskaper inkluderar skalbarhet med optisk effekt i kombination med minskad känslighet för optiska effektfluktuationer.

Laserstrålar och ljudvågor

I sin avhandling, Tomberg använde två spektroskopiska tillvägagångssätt:en ny interferometrisk metod för mätning av bakgrundsfria bredbandsabsorptionsspektra, och cantilever-förbättrad fotoakustisk spektroskopi.

Forskningen har gjorts vid Institutionen för kemi vid Helsingfors universitet. Tomberg utförde sitt arbete i Laser Spectroscopy Group och hans handledare var gruppledare, Docent Markku Vainio och professor Lauri Halonen.

"Jag utförde mätningarna i det mellaninfraröda området med ett antal olika laserljuskällor, såsom optiska parametriska oscillatorer, optiska frekvenskammar och kvantkaskadlasrar, säger Tomberg.

Bland Tombergs prestationer var att demonstrera den nya bakgrundsfria interferometriska mättekniken med hjälp av en toppmodern mellaninfraröd dubbelkamspektrometer. Studien utfördes på CREOL, College of Optics and Photonics, under överinseende av professor Konstantin Vodopyanov.

Genom sina mått, Tomberg visade att den nya tekniken förbättrar signal-brusförhållandet för absorptionsspektroskopi med ungefär en faktor fem jämfört med vanlig direktabsorptionsspektroskopi. Fördelen som uppnåddes begränsades av den låga optiska effekten hos lasrarna som användes, och signal-brusförhållandet kan faktiskt förbättras ytterligare genom att använda högeffektlasrar.

Vid undersökning av cantilever-förstärkt fotoakustisk spektroskopi, Tomberg nådde detekteringskänslighet på rekordnivå genom att använda hög optisk effekt.

En konkurrent till coronavirushundar?

De metoder som Tomberg utvecklat har intressant potential för tillämpningar.

Genom att kombinera dem med gaskromatografi möjliggörs allt säkrare analyser av även komplexa gasblandningar innehållande föreningar med både små och stora molekylvikter. En sådan applikation skulle vara en konstgjord näsa för att upptäcka sjukdomar.

Dock, Fördelen med hundar är deras förmåga att upptäcka coronavirus även utan att vi vet exakt vilka molekyler de luktar. För att en konstgjord näsa ska fungera som avsett, de relevanta biomarkörsmolekylerna som ska mätas bör först identifieras.

Studien öppnar nya vägar för att utveckla utrustning för fälttillämpningar. Tombergs fynd illustrerar hur laserabsorptionsspektroskopi kan användas som en avancerad detektorgaskromatograf, speciellt i fälttillämpningar där kompakthet och underhållsfri drift av lasrar är användbara.