För några år sedan designade professor Birgitta Bernhardt och hennes grupp vid Graz University of Technologys (TU Graz) Institute of Experimental Physics i Österrike världens första bredbands-UV-dubbel-kamspektrometer för att upptäcka och mäta luftföroreningar (gaser) i realtid. Och nu har de skapat en kompakt mobilversion (se video)-ännu känsligare och mer exakt-för att fånga molekylära fingeravtryck av luftföroreningar med hög spektral upplösning (1 GHz), bred bandbredd (12 THz) och sub-sekundsinsamling inom en räckvidd av 2,5 kilometer (1,55 miles).
Dubbel-kamspektroskopi kombinerar hög spektral upplösning, bred spektral täckning och korta insamlingstider. Även om tillvägagångssättet är känt för sina styrkor inom det infraröda (IR) spektralområdet, är UV-spektralområdet fortfarande något underutforskat på grund av bristen på direkta frekvenskamkällor.
Men UV-spektralområdet "är extremt viktigt, och vår enhet ger dig tillgång till inte bara rotations- och vibrationsinformation för molekylära prover utan även exciterar elektroniska övergångar", säger Bernhardt. "Detta är triggers för olika fotokemiska reaktioner som är mycket relevanta för fotokemin i vår atmosfär."
Två laserfrekvenskammar
Dubbel-kamspektroskopi kombinerar två laserfrekvenskammar med lite olika upprepningshastigheter, och när dessa pulståg stör den ned-konverterar den höga optiska frekvenser effektivt till den direkt åtkomliga radiofrekvensdomänen.
"Vi kan också mäta de optiska egenskaperna-absorption eller spridning-av prover under granskning via en enkel fotodiod", säger Bernhardt. "Denna teknik utnyttjas nu inom UV-regionen genom att frekvenstredubbla IR-utgången från en kompakt enkel-kavitets dubbel-kamlaser."
Tack vare dubbla-kamprincipen når deras spektrometer upplösningsförmåga på en miljon inom under-under sekunders mättider. "Det är en unik kombination som du inte kan nå med konventionella gitterspektrometrar eller monokromatorer," säger Bernhardt.
Main benefits of the group's design changes? Broad spectral coverage of >10 THz, korta insamlingstider (en halv sekund), hög upplösningsförmåga på 1 000 000, hög känslighet (absorptionstvärsnitt så låga som 10-22cm2/molecule) och hög precision-allt inom det underutforskade UV-spektralområdet.
"Vår installation är mobil och kräver ingen komplicerad elektronisk stabiliseringsutrustning," påpekar Bernhardt. "Vårt tidigare projekt inkluderade ett extra elektroniskt ställ. Genom att förenkla det är spektrometern på väg att bli användarvänlig-och inte bara av spektroskopiexperter."
Oöverträffad UV-dubbel-kamspektrometerprecision
Gruppens mobila UV-dubbel-kamspektrometer gjorde det möjligt för forskarna att exakt mäta UV-ljusabsorptionsmönstren för formaldehyd (en atmosfärisk förorening och flyktig organisk förening). Dessa mätningar var så exakta, "vi upptäckte en mängd formaldehydresonanser som aldrig tidigare observerats experimentellt", säger Bernhardt. "Det var ett fantastiskt ögonblick!"
Faktum är att deras mätningar avslöjade att rotationskonstanter för formaldehyd i fysikläroböcker sedan 1960-talet är felaktiga. I samarbete med Center for Astrophysics Harvard & Smithsonian Atomics and Molecular Physics-avdelning i USA korrigerade Bernhardt och hennes grupp värdena för denna grundläggande molekyl-specifika parameter med så mycket som 15 %.
Professor Rolf Breinbauer och hans grupp vid TU Graz Institute of Organic Chemistry bidrog till detta arbete genom att tillhandahålla formaldehyd med hög-renhet.
Kredit: Wolf/TU Graz
Forskarna i labbet med den mobila UV-dubbel-kamspektrometern-(vänster till höger) Rolf Breinbauer, Birgitta Bernhardt, Clemens Hoffman och Mithun Pal.
Nästa: Ännu mer kompakt och stabil?
Överallt där spektrala signaturer kan vara av intresse finns det applikationer för en mobil UV-dubbel-kamspektrometer. Den kan användas för grundläggande spektroskopi (för att utforska grundläggande optiska egenskaper hos vilken art som helst), luftkvalitetsmätningar (atmosfärskemi av föroreningar), biosensing och till och med för medicinsk utandningsanalys.
Det är klart att förbättring av precisionen i luftkvalitetsmätningar sticker ut på grund av dess potential att hjälpa till att avmystifiera atmosfäriska luftföroreningar och dess inverkan på jorden.
"Vår spektrometer är alltid i drift i min Coherent Sensing-grupp vid TU Graz", säger Bernhardt. "Eftersom det finns massor av arter som ska studeras, undersöker vi sätt att göra instrumentet ännu mer kompakt för att göra fältkampanjer för luftkvalitetsmätningar med det."
