Fa uns anys, la professora Birgitta Bernhardt i el seu grup de l'Institut de Física Experimental de la Universitat Tecnològica de Graz (TU Graz) a Àustria van dissenyar el primer espectròmetre de doble-panta UV de banda ampla del món per detectar i mesurar els contaminants de l'aire (gasos) en temps real. I ara han creat una versió mòbil compacta (vegeu el vídeo)-encara més sensible i precisa-per capturar empremtes dactilars moleculars de contaminants atmosfèrics a alta resolució espectral (1 GHz), ample de banda ampli (12 THz) i adquisició de menys de-segons en un rang de 2,5 quilòmetres (1,55 milles).
L'espectroscòpia-dual comb combina una alta resolució espectral, una àmplia cobertura espectral i temps d'adquisició curts. Tot i que l'enfocament és conegut pels seus punts forts dins de la regió espectral infraroja (IR), la regió espectral UV continua una mica poc explorada a causa de la manca de fonts de pentinat de freqüència directa.
Però la regió espectral UV "és extremadament important, i el nostre dispositiu us permet accedir no només a la informació de rotació i vibració de mostres moleculars, sinó que també excita les transicions electròniques", diu Bernhardt. "Aquests són els desencadenants de diverses reaccions fotoquímiques que són molt rellevants per a la fotoquímica de la nostra atmosfera".
Dues pintes de freqüència làser
L'espectroscòpia-dual comb combina dues pintes de freqüència làser amb velocitats de repetició lleugerament diferents i, quan aquests trens de polsos interfereixen, -converteix les freqüències òptiques altes de manera eficient en el domini de radiofreqüències directament accessible.
"També podem mesurar les propietats òptiques-absorció o dispersió-de les mostres sota escrutini mitjançant un simple fotodíode", diu Bernhardt. "Aquesta tècnica s'aprofita ara a la regió UV triplicant la freqüència de la sortida IR d'un làser compacte d'una sola cavitat-dual-pinta".
Gràcies al principi de doble-pinta, el seu espectròmetre assoleix potències de resolució d'un milió en temps de mesura de menys de-segons. "És una combinació única a la qual no podeu arribar amb espectròmetres de reixeta o monocromadors convencionals", diu Bernhardt.
Main benefits of the group's design changes? Broad spectral coverage of >10 THz, temps d'adquisició curts (mig segon), alt poder de resolució de 1.000.000, alta sensibilitat (seccions transversals d'absorció tan baixes com 10-22cm2/molecule) i alta precisió-tot dins de la regió espectral UV poc explorada.
"La nostra configuració és mòbil i no requereix cap equip d'estabilització electrònica complicat", assenyala Bernhardt. "El nostre projecte anterior incloïa un bastidor electrònic addicional. En simplificar-lo, l'espectròmetre està a punt de ser fàcil d'utilitzar-i no només per als experts en espectroscòpia".
Precisió sense precedents de l'espectròmetre de doble-pinta UV
L'espectròmetre de doble pinta UV mòbil del grup va permetre als investigadors mesurar amb precisió els patrons d'absorció de llum UV del formaldehid (un contaminant atmosfèric i un compost orgànic volàtil). Aquestes mesures eren tan precises que "vam detectar una multitud de ressonàncies de formaldehid mai observades experimentalment abans", diu Bernhardt. "Va ser un gran moment!"
De fet, les seves mesures van revelar que les constants de rotació del formaldehid als llibres de text de física des de la dècada de 1960 són inexactes. En col·laboració amb la divisió d'Atòmica i Física Molecular de Harvard i Smithsonian del Centre d'Astrofísica als EUA, Bernhardt i el seu grup van corregir els valors d'aquest paràmetre específic-de molècula fonamental fins a un 15%.
El professor Rolf Breinbauer i el seu grup de l'Institut de Química Orgànica de TU Graz van contribuir a aquest treball proporcionant formaldehid d'alta-puresa.
Crèdit: Wolf/TU Graz
Els investigadors del laboratori amb l'espectròmetre UV de doble -pinta- (d'esquerra a dreta) Rolf Breinbauer, Birgitta Bernhardt, Clemens Hoffman i Mithun Pal.
El següent: encara més compacte i estable?
Sempre que les signatures espectrals puguin ser d'interès, hi ha aplicacions per a un espectròmetre UV de doble-pinta mòbil. Es pot utilitzar per a l'espectroscòpia fonamental (per explorar les propietats òptiques fonamentals de qualsevol espècie), mesures de la qualitat de l'aire (química atmosfèrica dels contaminants), biodetecció i fins i tot per a l'anàlisi mèdica de l'alè.
És evident que la millora de la precisió de les mesures de la qualitat de l'aire destaca pel seu potencial per ajudar a desmitificar la contaminació atmosfèrica i el seu impacte a la Terra.
"El nostre espectròmetre sempre està en funcionament al meu grup de detecció coherent de la Universitat de Graz", diu Bernhardt. "Com que hi ha moltes espècies per estudiar, estem explorant maneres de fer que l'instrument sigui encara més compacte per fer campanyes de camp de mesures de la qualitat de l'aire amb ell".
