Laserbaserad absorptionsspektroskopi är en viktig metod för att bestämma koncentrationen av gaskomponenter i ett prov. Moderna enheter är mycket specialiserade för att detektera mycket specifika gaser, såsom spårgaser i atmosfären, i förbränningsavgaser och i tekniska tillämpningar av plasma.
För att göra det mäter de andelen ljus av en specifik våglängd som absorberas eller dämpas av ett prov. Detta gör det möjligt att bestämma koncentrationen av gasen. Den valda detektionsvåglängden beror på vilken molekyl som ska mätas.
Ett vanligt problem är att olika molekyler kan absorbera samma ljus – även vid en smart vald våglängd. "Absorptionsspektra för de olika gasmolekylerna överlappar ibland väldigt markant. Det betyder att om jag vill detektera molekyl A får jag också alltid en varierande grad av stark signal från molekyl B", förklarade professor Gernot Friedrichs från Institutet för fysikalisk kemi. vid Kiel University (CAU).
Denna så kallade korskänslighet begränsar effektiviteten av mätmetoden. Hittills har detta problem antingen eliminerats eller åtminstone reducerats genom ytterligare mätningar vid olika våglängder, d.v.s. mätning av spektra, eller så separeras de störande gaserna med hjälp av gaskromatografimetoder före själva mätningen.
Friedrichs och hans tidigare doktorand, Dr Ibrahim Sadiek från Leibniz Institute for Plasma Science and Technology e.V. (INP), Greifswald, har nu visat att det finns en enklare lösning. De har utvecklat en metod för att övervinna denna korskänslighet i absorptionsspektroskopi, även när mätningar endast utförs vid en våglängd.
Förstudien för den nya, patentsökta metoden med två arter-en våglängd (2S1W) baserad på selektiv optisk mättnad publicerades nyligen i tidskriften Scientific Reports .
Den nya metoden utnyttjar fenomenet optisk mättnad i molekyler. Tillståndet för optisk mättnad inträffar endast vid höga ljusintensiteter, vilket numera kan genereras ganska enkelt med laser. Molekylerna blir sedan "transparenta" för absorptionsspektroskopi, vilket innebär att det bestrålade ljuset inte längre dämpas. Den punkt där provet blir transparent är en egenskap för respektive gastyp.
Hittills har optisk mättnad ansetts vara ofördelaktig för absorptionsmätningar och därför undvikits så mycket som möjligt, eftersom det förvränger koncentrationsmätningen. Men Sadiek och Friedrichs har nu visat i sin studie att dra fördel av selektiv optisk mättnad till och med kan hjälpa till att separat bestämma koncentrationerna av två helt ömsesidigt interfererande molekyler vid en fast våglängd.
"För att göra det varierade vi ljusintensiteten mycket snabbt och över ett brett spektrum i en speciell mätcell. Vid låg ljusintensitet mäts summan av absorptionerna för båda arterna och vid hög ljusintensitet är en av molekylerna mättad Så vi upptäckte bara signalen från en art. I vårt fall upptäcktes metylkloriden, eftersom metanet redan var mättat", betonade Sadiek. "När vi först provade det här fascinerades vi av hur bra det faktiskt fungerar att separera signalerna från båda arterna på det här konceptuellt enkla sättet."
Ett typiskt problem i praktiken är till exempel att detektera klorerade kolväten, som förekommer i mycket låga koncentrationer i atmosfären. "Om du vill upptäcka dem utan att separera blandningen i förväg, stöter du automatiskt på problemet att de spårgaser som finns i högre koncentrationer, som koldioxid eller metan och speciellt vattenånga, det vill säga luftfuktigheten, stör mätningen. Med vår metod, kan vi helt enkelt göra dessa störande gaser osynliga i spektrumet", förklarade Friedrichs.
Hans grupp arbetar för närvarande med marina forskningsprojekt för att vidareutveckla metoden för användning i konventionella absorptionsspektrometrar. Potentialen för att minska korskänsligheten kommer sedan att demonstreras i fältmätningar för att bättre undersöka utbytesprocesser vid gränssnittet vatten-luft. Metoden är i princip även lämplig för samtidig detektering av ett stort antal spårgaser, förutsatt att de har tillräckligt olika mättnadsintensitet.
Mer information: Ibrahim Sadiek et al, Två arter – en våglängdsdetektion baserad på selektiv optisk mättnadsspektroskopi, Scientific Reports (2023). DOI:10.1038/s41598-023-44195-3
Journalinformation: Vetenskapliga rapporter
Tillhandahålls av Kiel University
