Forskare från University of Houston har rapporterat en ny teknik för att bestämma den kemiska sammansättningen av material med hjälp av nära-infrarött ljus.

Arbetet kan ha ett antal potentiella tillämpningar, inklusive att förbättra analysen av borrhålsborrningar i olje- och gasindustrin och bredda spektrumet av solljus som kan skördas och omvandlas till elektricitet, sa Wei-Chuan Shih, docent i el- och datateknik vid UH och huvudförfattare till en artikel som beskriver upptäckten publicerad 22 juni i Nanobokstäver .

"Från en vetenskaplig synvinkel, det är en ganska ny upptäckt att excitera plasmonisk resonans vid nära-infrarött och få det att fungera för oss, " han sa.

Det betyder att ämnen som inte kan mätas exakt av sensorer som arbetar på det infraröda spektrumet nu kan studeras mycket mer i detalj än vad som tillhandahålls av nuvarande tekniker som använder det nära-infraröda spektrumet.

Förutom Shih, de andra författarna inkluderar postdoktorala forskarna Greggy M. Santos och Oussama Zenasni och doktoranderna Fusheng Zhao och Md Masud Parvez Arnob.

Spektroskopi med infrarött spektrum - en analytisk teknik som använder infrarött ljus för att skanna och identifiera den kemiska sammansättningen av organiska, polymera och vissa oorganiska material - är ett viktigt verktyg, men det har begränsningar. Infrarött ljus absorberas av vatten, så tekniken fungerar inte med vattenbaserade prover.

Skanning av nära infrarött ljus är kompatibel med vatten, men nuvarande tekniker är mindre känsliga än de som använder andra våglängder.

"För att övervinna dessa barriärer, vi har utvecklat en ny teknik för att samtidigt erhålla avkänning av kemiskt och brytningsindex i 1-2,5 μm NIR (nära infrarött) våglängdsområde på nanoporösa guld (NPG) skivor, som har plasmoniska hotspots med hög densitet med lokaliserad elektrisk fältförstärkning, " skrev forskarna. "För första gången, ytförstärkt nära-infraröd absorption (SENIRA) spektroskopi har visats för högkänslig kemisk detektion."

Shih sa att arbete med nära infrarött ljus vanligtvis är "ett tveeggat svärd, " eftersom det kan användas med vattenbaserade prover men inte ger den nödvändiga detaljen. "Vi visade att vatten inte är ett problem, men vi kan också öka känsligheten för det vi vill mäta med 10, 000 gånger, " han sa.

Han och medlemmar av hans labb har arbetat med nanoporösa guldskivor sedan han upptäckte strukturen 2013. För detta projekt, han sa att de "stämde, " eller designad, nanodiskarna att reagera när de utsätts för specifika våglängder, gör det möjligt att utveckla en avkänningsteknik med fördelarna med både infraröd och nära infraröd skanning.

Tekniken testades med olika råolje- och andra kolväteprover, och Shih sa att det kunde vara till hjälp vid analys av vätska i borrhål, som använder nära infraröd spektroskopi för att analysera material som finns djupt i en brunn. Tekniken gör att borrare snabbt kan veta vad som finns under marken eller havsbotten, men han sa att den nya tekniken skulle kunna förenkla processen eftersom den kräver ett mindre prov för analys, en uppenbar fördel vid laboratoriekarakterisering.

Oliver C. Mullins, en vetenskaplig rådgivare vid Schlumberger och den primära upphovsmannen till vätskeanalys i borrhål, sade upptäckten har potential för både labbet och fältet.

"Optisk spektroskopi har gjort betydande bidrag inom olje- och gasindustrin utöver laboratoriekarakterisering, " sa han. "Särskilt, in situ vätskeanalys i oljekällor baserad på vibrationsövertoner och elektronisk absorption i de synliga och nära-infraröda våglängderna har blivit en industristandard för loggning av trådbrunnar. SENIRA ger en spännande möjlighet till potentiellt bättre sensorteknologi i både fält- och laboratoriemiljöer."

Shih sa att forskare funderar på nya sätt att göra saker med hjälp av tekniken. "Vi kan göra mycket oljetypning med små mängder olja."

Även om uppsatsen använder kolvätesammansättningsanalys som ett exempel på hur tekniken skulle kunna användas, Shih sa att det kan appliceras på alla molekylarter. Den där breda potentiella användningen, förutom teknikens nyhet, är varför Nanobokstäver publicerade tidningen, han sa.