Преди няколко години професор Биргита Бернхард и нейната група в Института по експериментална физика на Технологичния университет в Грац (TU Graz) в Австрия проектираха първия в света широколентов UV дву{0}}гребенчат спектрометър за откриване и измерване на замърсители на въздуха (газове) в реално време. И сега те създадоха компактна мобилна версия (вижте видеоклипа)-още по-чувствителна и точна-за улавяне на молекулярни пръстови отпечатъци на замърсители на въздуха при висока спектрална разделителна способност (1 GHz), широка честотна лента (12 THz) и под{6}}секундно придобиване в обхват от 2,5 километра (1,55 мили).
Спектроскопията с двоен-гребен съчетава висока спектрална разделителна способност, широко спектрално покритие и кратки времена за придобиване. Въпреки че подходът е известен със силните си страни в инфрачервената (IR) спектрална област, UV спектралната област остава донякъде недостатъчно проучена поради липсата на директни честотни гребенови източници.
Но UV спектралната област "е изключително важна и нашето устройство ви позволява да получите достъп не само до ротационна и вибрационна информация на молекулярни проби, но и да възбудите електронни преходи", казва Бернхард. "Това са тригерите за различни фотохимични реакции, които са много важни за фотохимията в нашата атмосфера."
Два лазерни честотни гребена
Спектроскопията с двоен-гребен съчетава два лазерни честотни гребена с леко различни честоти на повторение и когато тези импулсни поредици пречат, тя-преобразува ефективно високите оптични честоти в пряко достъпна радиочестотна област.
„Можем също така да измерим оптичните свойства-абсорбцията или дисперсията-на изследваните проби чрез прост фотодиод“, казва Бернхард. „Тази техника сега се използва в рамките на UV зоната чрез утрояване на честотата на IR изхода на компактен лазер с една-кухина и двоен-гребен.“
Благодарение на принципа на двоен-гребен техният спектрометър достига разделителна способност от един милион за под-секунди времена на измерване. „Това е уникална комбинация, която не можете да постигнете с конвенционалните решетъчни спектрометри или монохроматори“, казва Бернхард.
Main benefits of the group's design changes? Broad spectral coverage of >10 THz, кратки времена на придобиване (половин секунда), висока разделителна способност от 1 000 000, висока чувствителност (напречни сечения на поглъщане до 10-22cm2/молекула) и висока прецизност-всички в рамките на недостатъчно изследваната UV спектрална област.
„Нашата настройка е мобилна и не изисква никакво сложно оборудване за електронна стабилизация“, посочва Бернхард. „Предишният ни проект включваше допълнителен електронен багажник. Чрез опростяването му спектрометърът е на път да стане удобен за потребителя-и не само от експерти по спектроскопия.“
Безпрецедентна прецизност на UV дву{0}}гребенов спектрометър
Мобилният UV дву{0}}гребенов спектрометър на групата позволи на изследователите да измерят прецизно моделите на абсорбция на UV светлина от формалдехид (атмосферен замърсител и летливо органично съединение). Тези измервания бяха толкова прецизни, „открихме множество формалдехидни резонанси, които никога преди не са били наблюдавани експериментално“, казва Бернхард. „Беше страхотен момент!“
Всъщност техните измервания разкриха, че ротационните константи на формалдехида в учебниците по физика от 60-те години на миналия век са неточни. В сътрудничество с отдела за атомна и молекулярна физика на Центъра за астрофизика Harvard & Smithsonian в САЩ, Бернхард и нейната група коригираха стойностите на този основен молекулен-специфичен параметър с до 15%.
Професор Ролф Брайнбауер и неговата група в Института по органична химия на ТУ Грац допринесоха за тази работа, като предоставиха формалдехид с висока-чистота.
Кредит: Wolf/TU Graz
Изследователите в лабораторията с мобилния UV дву{0}}гребенов спектрометър-(отляво надясно) Ролф Брайнбауер, Биргита Бернхард, Клеменс Хофман и Митхун Пал.
Следва още по-компактен и стабилен?
Навсякъде, където спектралните сигнатури могат да представляват интерес, има приложения за мобилен UV спектрометър с двоен-гребен. Може да се използва за фундаментална спектроскопия (за изследване на фундаментални оптични свойства на всеки вид), измервания на качеството на въздуха (атмосферна химия на замърсителите), биосензиране и дори за медицински анализ на дишането.
Ясно е, че подобряването на прецизността на измерванията на качеството на въздуха се откроява поради потенциала си да помогне за демистифицирането на замърсяването на атмосферния въздух и неговото въздействие върху Земята.
„Нашият спектрометър винаги работи в моята група за кохерентни сензори в TU Graz“, казва Бернхард. „Тъй като има много видове, които трябва да бъдат изследвани, ние проучваме начини да направим инструмента още по-компактен, за да правим полеви кампании за измерване на качеството на въздуха с него.“
