Πριν από λίγα χρόνια, η καθηγήτρια Birgitta Bernhardt και η ομάδα της στο Ινστιτούτο Πειραματικής Φυσικής του Τεχνολογικού Πανεπιστημίου του Γκρατς (TU Graz) στην Αυστρία σχεδίασαν το πρώτο ευρυζωνικό διπλό-φασματόμετρο UV στον κόσμο για την ανίχνευση και τη μέτρηση ατμοσφαιρικών ρύπων (αερίων) σε πραγματικό χρόνο. Και τώρα δημιούργησαν μια συμπαγή έκδοση για κινητά (δείτε βίντεο)-ακόμη πιο ευαίσθητη και ακριβή-για τη λήψη μοριακών δακτυλικών αποτυπωμάτων ατμοσφαιρικών ρύπων σε υψηλή φασματική ανάλυση (1 GHz), ευρύ εύρος ζώνης (12 THz) και λήψη δευτερολέπτων σε εύρος 2,5 μιλίων (2,5 μιλίων).
Η φασματοσκοπία διπλής-χτένας συνδυάζει υψηλή φασματική ανάλυση, ευρεία φασματική κάλυψη και σύντομους χρόνους απόκτησης. Ενώ η προσέγγιση είναι γνωστή για τα πλεονεκτήματά της εντός της φασματικής περιοχής υπερύθρων (IR), η φασματική περιοχή UV παραμένει κάπως ανεξερεύνητη λόγω της έλλειψης πηγών χτενίσματος άμεσης συχνότητας.
Αλλά η φασματική περιοχή υπεριώδους ακτινοβολίας «είναι εξαιρετικά σημαντική και η συσκευή μας σάς επιτρέπει να έχετε πρόσβαση όχι μόνο σε περιστροφικές και δονητικές πληροφορίες μοριακών δειγμάτων αλλά και να διεγείρετε τις ηλεκτρονικές μεταβάσεις», λέει ο Bernhardt. «Αυτά είναι τα ερεθίσματα για διάφορες φωτοχημικές αντιδράσεις που έχουν μεγάλη σχέση με τη φωτοχημεία στην ατμόσφαιρά μας».
Δύο χτένες συχνότητας λέιζερ
Η φασματοσκοπία διπλής-χτένας συνδυάζει δύο χτένες συχνότητας λέιζερ με ελαφρώς διαφορετικούς ρυθμούς επανάληψης και όταν αυτές οι παλμοσειρές παρεμβαίνουν-μετατρέπει αποτελεσματικά τις υψηλές οπτικές συχνότητες στον άμεσα προσβάσιμο τομέα ραδιοσυχνοτήτων.
"Μπορούμε επίσης να μετρήσουμε τις οπτικές ιδιότητες-απορρόφησης ή διασποράς-των δειγμάτων υπό έλεγχο μέσω μιας απλής φωτοδιόδου", λέει ο Bernhardt. "Αυτή η τεχνική χρησιμοποιείται τώρα εντός της περιοχής UV με συχνότητα που τριπλασιάζει την έξοδο υπερύθρων ενός συμπαγούς λέιζερ διπλής-κοίλης- μονής κοιλότητας.
Χάρη στην αρχή της διπλής-χτένας, το φασματόμετρο τους φθάνει τις ικανότητες ανάλυσης του ενός εκατομμυρίου εντός δευτερολέπτων-χρόνων μέτρησης. "Είναι ένας μοναδικός συνδυασμός που δεν μπορείτε να φτάσετε με συμβατικά φασματόμετρα πλέγματος ή μονοχρωμάτες", λέει ο Bernhardt.
Main benefits of the group's design changes? Broad spectral coverage of >10 THz, σύντομοι χρόνοι απόκτησης (μισό δευτερόλεπτο), υψηλή ισχύς ανάλυσης 1.000.000, υψηλή ευαισθησία (διατομές απορρόφησης έως και 10-22εκ2/molecule) και υψηλής ακρίβειας-όλα εντός της ανεξερεύνητης φασματικής περιοχής UV.
«Η εγκατάσταση μας είναι φορητή και δεν απαιτεί περίπλοκο ηλεκτρονικό εξοπλισμό σταθεροποίησης», επισημαίνει ο Bernhardt. "Το προηγούμενο έργο μας περιελάμβανε ένα επιπλέον ηλεκτρονικό ράφι. Με την απλοποίησή του, το φασματόμετρο θα γίνει φιλικό προς τον χρήστη-και όχι μόνο από ειδικούς στη φασματοσκοπία."
Πρωτόγνωρη ακρίβεια διπλού-φασματόμετρου UV
Το κινητό φασματόμετρο UV διπλής-χτένας της ομάδας επέτρεψε στους ερευνητές να μετρήσουν με ακρίβεια τα μοτίβα απορρόφησης υπεριώδους φωτός της φορμαλδεΰδης (ένας ατμοσφαιρικός ρύπος και πτητική οργανική ένωση). Αυτές οι μετρήσεις ήταν τόσο ακριβείς, «ανιχνεύσαμε ένα πλήθος συντονισμών φορμαλδεΰδης που δεν είχαν παρατηρηθεί ποτέ πειραματικά στο παρελθόν», λέει ο Bernhardt. «Ήταν μια υπέροχη στιγμή!»
Στην πραγματικότητα, οι μετρήσεις τους αποκάλυψαν ότι οι σταθερές περιστροφής της φορμαλδεΰδης στα σχολικά βιβλία φυσικής από τη δεκαετία του 1960 είναι ανακριβείς. Σε συνεργασία με το τμήμα Ατομικής και Μοριακής Φυσικής του Κέντρου Αστροφυσικής του Harvard & Smithsonian στις ΗΠΑ, η Bernhardt και η ομάδα της διόρθωσαν τις τιμές αυτής της συγκεκριμένης παραμέτρου{4}}του θεμελιώδους μορίου έως και 15%.
Ο καθηγητής Rolf Breinbauer και η ομάδα του στο Ινστιτούτο Οργανικής Χημείας του TU Graz συνέβαλαν σε αυτό το έργο παρέχοντας φορμαλδεΰδη υψηλής-καθαρότητας.
Πίστωση: Wolf/TU Graz
Οι ερευνητές στο εργαστήριο με το φορητό διπλό-φασματόμετρο UV-(από αριστερά προς τα δεξιά) Rolf Breinbauer, Birgitta Bernhardt, Clemens Hoffman και Mithun Pal.
Επόμενο: Ακόμα πιο συμπαγές και σταθερό;
Όπου μπορεί να παρουσιάζουν ενδιαφέρον οι φασματικές υπογραφές, υπάρχουν εφαρμογές για φορητό φασματόμετρο διπλού-χτενιού UV. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί για θεμελιώδη φασματοσκοπία (για διερεύνηση θεμελιωδών οπτικών ιδιοτήτων οποιουδήποτε είδους), μετρήσεις ποιότητας αέρα (ατμοσφαιρική χημεία ρύπων), βιοαισθητήρα, ακόμη και για ιατρική ανάλυση αναπνοής.
Σαφώς, η βελτίωση της ακρίβειας των μετρήσεων της ποιότητας του αέρα ξεχωρίζει λόγω της δυνατότητάς της να βοηθήσει στην απομυθοποίηση της ατμοσφαιρικής ατμοσφαιρικής ρύπανσης και των επιπτώσεών της στη Γη.
"Το φασματόμετρο μας είναι πάντα σε λειτουργία στην ομάδα συνεκτικής ανίχνευσης μου στο TU Graz", λέει ο Bernhardt. «Επειδή υπάρχουν πολλά είδη που πρέπει να μελετηθούν, διερευνούμε τρόπους για να κάνουμε το όργανο ακόμα πιο συμπαγές για να κάνουμε εκστρατείες πεδίου μετρήσεων της ποιότητας του αέρα με αυτό».
