Onderzoekers van de Universiteit van Michigan hebben een op laser gebaseerde methode ontwikkeld die kan worden gebruikt om chemicaliën zoals explosieven en gevaarlijke gassen snel en nauwkeurig te detecteren.

Eventueel, deze methode zou kunnen worden gebruikt in systemen die op luchthavens worden geplaatst, voor de milieumonitoring van verontreinigende stoffen of zelfs op slagvelden, zei auteur Steven Cundiff, hoogleraar natuurkunde aan het Literatuurcollege, Wetenschap, en de Kunsten. De studie, uitgevoerd door natuurkundig onderzoeker Bachana Lomsadze, publiceert vandaag in Wetenschap .

De methode van Lomsadze en Cundiff combineert twee technieken die op laser gebaseerde detectie van chemicaliën versnellen, terwijl dit nauwkeurig gebeurt. De eerste techniek is gebaseerd op hetzelfde idee als kernmagnetische resonantiespectroscopie, die radiofrequenties gebruikt om de structuur van moleculen te identificeren. Hier, de onderzoekers gebruiken een methode genaamd multidimensionale coherente spectroscopie, of MDCS. MDCS gebruikt ultrakorte laserpulsen om soorten gassen zoals een streepjescode te lezen. Als de wetenschappers de laserpulsen door het mengsel van gassen laten kaatsen, die pulsen kunnen de specifieke golflengten van licht - of kleur - die specifieke gassen absorberen, "lezen".

"Als er licht door het gas gaat, en, bijvoorbeeld, je gebruikt een prisma om wit licht te scheiden in gekleurd licht, in het regenboogspectrum zou je zien dat er zwarte strepen zijn, " zei Cundiff. "Waar de zwarte strepen zijn, geeft je bijna een streepjescode die je vertelt wat voor soort molecuul er in het monster zit."

Wetenschappers hebben gewerkt aan soortgelijke, eenvoudigere methoden. Veel belangrijke moleculen hebben een zeer rijk spectrum voor bepaalde kleuren licht, hoewel de "kleuren" zich in feite in het infrarood kunnen bevinden, dus niet zichtbaar voor het menselijk oog - waardoor ze gemakkelijk herkenbaar zijn. Maar dit wordt moeilijk wanneer wetenschappers gassen in een mengsel proberen te identificeren. Eerder, wetenschappers vertrouwden op het vergelijken van wat ze maten met een catalogus van moleculen, een proces dat krachtige computers en een aanzienlijke hoeveelheid tijd vereist.

"Het is alsof je probeert naar de vingerafdrukken van drie mensen op elkaar te kijken. Dit is een struikelblok voor het gebruik van deze methoden in een echte situatie, " zei Cundiff. "Onze methode duurt ongeveer 15 minuten tot een paar uur met behulp van traditionele benaderingen van MDCS."

Om het proces te versnellen met behoud van de nauwkeurigheid, de UM-onderzoekers combineerden MDCS met een andere methode, dual comb-spectroscopie genaamd.

Frequentiekammen zijn laserbronnen die spectra genereren die bestaan ​​uit op gelijke afstand van elkaar gelegen scherpe lijnen die worden gebruikt als linialen om de spectrale kenmerken van atomen en moleculen met extreem hoge precisie te meten. Bij spectroscopie, met behulp van twee frequentiekammen, bekend als dubbele kam spectroscopie, biedt een elegante manier om snel een spectrum met hoge resolutie te verwerven zonder mechanisch bewegende elementen zoals een "hoekkubus, " dat zijn drie spiegels die zijn gerangschikt om één hoek te maken, gebruikt om een ​​laserstraal rechtstreeks op zichzelf te reflecteren. Dit element beperkt meestal de tijd die de onderzoekers nodig hebben om een ​​spectrum te meten.

"Deze benadering zou de methode van multidimensionale coherente spectroscopie in staat kunnen stellen om uit het laboratorium te ontsnappen en te worden gebruikt voor praktische toepassingen zoals het detecteren van explosieven of het bewaken van atmosferische bestanddelen, ' zei Cundiff.

Lomsadze en Cundiff pasten hun methode toe op een damp van rubidium-atomen die twee rubidium-isotopen bevatte. Het frequentieverschil tussen absorptielijnen voor de twee isotopen is te klein om waar te nemen met traditionele benaderingen van MDCS, maar door kammen te gebruiken, Lomsadze en Cundiff waren in staat om deze lijnen op te lossen en de spectra van de isotopen toe te wijzen op basis van hoe de energieniveaus aan elkaar waren gekoppeld. Hun methode is algemeen en kan worden gebruikt om chemicaliën in een mengsel te identificeren zonder vooraf de samenstelling van het mengsel te kennen.

Volgende, de onderzoekers zijn van plan een derde laser toe te voegen die hun vermogen om gassen te identificeren nog sneller kan maken. Ze zijn ook van plan om lasers te gebruiken op basis van glasvezel, zodat ze verder kunnen kijken in infrarood licht, waardoor het aantal chemicaliën dat ze zouden kunnen identificeren zou toenemen.