Een team van onderzoekers heeft een manier gevonden om sporengassen te detecteren tot concentraties op het niveau van delen per quadriljoen met behulp van een nieuwe variatie op het fotoakoestische effect. een techniek die het geluid meet dat wordt gegenereerd wanneer licht interageert met moleculen.

"Op veel manieren, het fotoakoestische effect is nu al de meest praktische methode om verontreinigende stoffen in de atmosfeer op te sporen, zei Gerard Diebold, een professor in de chemie aan de Brown University en co-auteur van een nieuw artikel waarin het onderzoek van zijn laboratorium wordt beschreven. "Maar wanneer de concentratie van de moleculen die je probeert te detecteren daalt tot het niveau van delen per biljoen, het signaal wordt te zwak om te detecteren. We hebben een nieuwe foto-akoestische techniek ontwikkeld die het signaal versterkt en ons in staat stelt om het niveau van delen per quadriljoen te bereiken, die voor zover wij weten is een record."

De studie, dat was een samenwerking tussen Diebold's lab in Brown en het lab van Fapeng Yu aan de Shandong University in China, wordt gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences .

Het fotoakoestische effect vindt plaats wanneer een lichtstraal wordt geabsorbeerd door een gas, vloeistof of vaste stof waardoor het uitzet. De uitzetting is een mechanische beweging die resulteert in het lanceren van een geluidsgolf. Het effect werd voor het eerst ontdekt door Alexander Graham Bell in de jaren 1880, maar was van weinig praktische waarde tot de uitvinding van de laser, die - als gevolg van de typisch smalle lijnbreedte en het hoge vermogen - fotoakoestische signalen groot genoeg maakte om gemakkelijk detecteerbaar te zijn.

Fotoakoestische detectoren werken door een materiaal te zappen met een laser die is afgestemd op een golflengte die wordt geabsorbeerd door het betreffende molecuul. In een typisch fotoakoestisch experiment, de laserstraal wordt in- en uitgeschakeld met een frequentie die kan worden gedetecteerd door een gevoelige microfoon om te luisteren naar eventuele geproduceerde geluidsgolven. Verschillende moleculen absorberen licht op verschillende frequenties, dus door de frequentie van de laser aan te passen, het is mogelijk om een ​​detector af te stemmen op specifieke stoffen. Dus om ammoniak in de lucht te zoeken, bijvoorbeeld, de laser zou worden afgestemd op de specifieke absorptiefrequentie van ammoniakmoleculen. Men zou dan een luchtmonster zappen, en als de microfoon geluidsgolven opvangt, dat betekent dat het monster ammoniak bevat.

Maar hoe kleiner de concentratie van de doelstof, hoe stiller het signaal. Dus Diebold en zijn collega's gebruikten een onconventionele techniek om de signaalamplitude te versterken.

"Wat we hebben gedaan, is een methode bedenken die berust op drie verschillende resonanties, "Zebold zei. "Het signaal wordt groter met elke resonantie."

In plaats van een enkele laserstraal, Diebold en zijn collega's combineren twee bundels met een specifieke frequentie en hoek. Het samenvoegen van de bundels creëert een rooster - een patroon van interferentie tussen de twee bundels. Als de laserfrequenties precies goed zijn afgestemd, het rooster beweegt met de snelheid van het geluid in een detectiecel, het creëren van een versterkingseffect bij elk van de pieken in het rooster.

De tweede resonantie wordt gecreëerd door een piëzo-elektrisch kristal dat in het experiment werd gebruikt, die precies trilt met de frequentie van de gecombineerde laserstralen. De kleine samendrukkende krachten in de drukgolven induceren geleidelijk beweging in een kristal, ongeveer op dezelfde manier als kleine, herhaald duwen van een schommel in de speeltuin kan een beweging van de schommel met grote amplitude veroorzaken.

De derde resonantie wordt gegenereerd door de lengte van de holte waarin het kristal is gemonteerd aan te passen, zodat het resoneert wanneer een geheel aantal halve golflengten van het geluid exact overeenkomt met de lengte van de holte. De output van het kristal, die piëzo-elektrisch is, zodat het een spanning genereert die evenredig is met zijn oscillerende beweging, wordt naar versterkers en gevoelige elektronische apparaten gestuurd om het akoestische signaal op te nemen.

"Een van de redenen dat de bewegende roostermethode zo goed werkte, is dat de groep van professor Yu aan de Shandong University een speciaal kristal liet groeien dat zeer grote signalen afgeeft als reactie op de drukgolven, "Zebold zei. "We kregen te horen dat het drie maanden kostte om het kristal te synthetiseren."

In hun experimenten, de onderzoekers toonden aan dat door die drie resonanties te gebruiken, ze waren in staat om het gas zwavelhexafluoride te detecteren in hoeveelheden tot in de delen per quadriljoen.

Diebold denkt dat de techniek nuttig zal zijn bij het ontwikkelen van detectoren die gevoelig zijn voor zeer lage concentraties verontreinigende gassen, of voor het detecteren van moleculen die zwakke absorpties hebben waardoor ze inherent moeilijk te detecteren zijn.

Diebold merkte op dat bij het uitvoeren van de experimenten, hij en zijn collega's waren "verbaasd om te ontdekken dat, omdat de frequenties zo hoog zijn - in het bereik van honderden kilohertz - dat er vrijwel geen achtergrondinterferentie is, hetzij van elektrische bronnen of van akoestisch van kamerlawaai, wind of trillingen van een gebouw. Dat betekent dat we experimenten kunnen doen in een open spouw zonder geluid van buitenaf te blokkeren. Dus als je een stortplaats hebt en je probeert methaan te detecteren, bijvoorbeeld, je neemt gewoon deze detector, zet het daar in de open lucht en controleer continu de output."

Er is nog wat werk aan de engineering van een compact instrument voordat deze techniek buitenshuis kan worden gebruikt, maar deze studie biedt een overtuigend proof of concept, zeggen de onderzoekers.