Onderzoekers hebben een nieuwe manier ontwikkeld om miniatuur kwantumcascadelasers (QCL's) te bedienen om snel de absorptiespectra van verschillende organische moleculen in de lucht tegelijkertijd te meten. De techniek biedt een gevoelige methode voor het detecteren van lage concentraties vluchtige organische stoffen (VOS), het verbeteren van het vermogen om te volgen hoe deze verbindingen de menselijke gezondheid beïnvloeden, industriële processen en de luchtkwaliteit. Het nieuwe systeem zou ook de betrouwbaarheid van ademalcoholtesten kunnen verbeteren door selectiever onderscheid te maken tussen ethanol en de andere gassen die mensen uitademen.

QCL's zijn gemaakt van meerdere lagen halfgeleiders die zijn gerangschikt om fotonenemissies te stimuleren door gebruik te maken van kwantumeffecten. De onderzoekers ontwierpen een op QCL gebaseerde opstelling die verbindingen meet die elektromagnetische straling over een breed spectrum absorberen met een enkele laser, een taak waarvoor voorheen meerdere lasers moesten samenwerken.

VOS worden vaak aangetroffen in uitlaatgassen van voertuigen, oplosmiddelen, bouwmaterialen en vele andere producten. Ze kunnen schadelijk zijn voor mensen en ecosystemen, en ze dragen bij aan de productie van ozon in de troposfeer en aan de opwarming van de aarde. Realtime methoden om VOC's te identificeren en te volgen zijn belangrijk voor vervuilings- en klimaatonderzoekers, volksgezondheidsorganisaties, fabrikanten, eerstehulpverleners en verladers, onder andere.

Het nieuwe systeem, gebaseerd op een elektrisch afstembare infraroodlaser zonder mechanische onderdelen, biedt voldoende precisie en scant een breed genoeg bereik van optische frequenties om gelijktijdig verschillende soorten die aanwezig zijn te identificeren en hun concentraties te bepalen. De in Zwitserland gevestigde onderzoekers, onder leiding van Lukas Emmenegger van Empa, een materiaalwetenschappelijk en technologisch instituut, zullen hun nieuwe methode beschrijven op het Optical Sensors and Sensing Congress van The Optical Society, die zal plaatsvinden van 25-27 juni in San Jose, Californië, tijdens Sensoren Expo 2019.

Smalle ramen openen naar een breed spectrum

In tegenstelling tot de taak om een ​​enkele chemische verbinding te detecteren, het identificeren van de verschillende soorten binnen VOC's vereist het draaien van de optische uitvoer van de QCL over een zeer breed frequentiebereik. Om dit te bereiken, de onderzoekers gebruikten een relatief nieuw type QCL, geoptimaliseerd om instelbaar te zijn over een breder dan normaal emissiefrequentiebereik, bekend als een Very Large Tuning QCL (QC-XT), en voedde het apparaat in een intermitterende modus om de optische afstemming te maximaliseren en het energieverbruik van de laser te minimaliseren.

Vervolgens introduceerden ze de belangrijkste innovatie van de nieuwe aanpak:door de voor- of achterspiegel van de laser te verwarmen met korte elektrische stroompulsen, ze ontdekten dat ze de reeks frequenties konden selecteren die de laser zou produceren door het zogenaamde Vernier-effect. Met behulp van deze aanpak, de opstelling beweegt zich in wezen door verschillende observatiekanalen langs het absorptiespectrum van het molecuul waarin precieze details kunnen worden gemeten en vergeleken met bekende spectrale kenmerken, biedt bijna continue dekking over een breed frequentiebereik met grote precisie.

"Het snelle schakelen tussen verschillende kanalen van de QCL biedt ongekende realtime selectiviteit en gevoeligheid voor de detectie van VOC's, ' zei Emmenegger.

"Hoge precisie VOS-metingen worden momenteel gedomineerd door klassieke methoden, zoals gaschromatografie of massaspectrometrie. Het combineren van de hoge spectrale resolutie van gevestigde QCL's met gedistribueerde feedback met de meerkanaalscapaciteit van QC-XT kan een game-changer worden op het gebied van VOC-analyse, ', voegde Emmenegger eraan toe.

Snelle en gevoelige detectie

Deze innovatieve analytische benadering leent zich bijzonder goed voor een snelle herkenning van breed verspreide spectrale kenmerken van VOC's. Om de methode te testen, het team gebruikte hun nieuwe opstelling om tegelijkertijd de infraroodspectra van een mengsel van methanol te meten, ethanol en aceetaldehyde.

De demonstratie toonde aan dat de methode met succes elke moleculaire soort van de andere onderscheidt en snel en gevoelig is. Een ronde van metingen door zes verschillende spectrale kanalen duurde in totaal 18 milliseconden. Terwijl afzonderlijke kanalen binnen slechts 50 microseconden met een zeer hoge spectrale resolutie worden gescand, de meeste tijd wordt besteed aan het aanpassen van de elektrische verwarming van de lasercomponenten om de volgende kanaallocatie langs de spectra te selecteren.

Het systeem beoordeelde moleculaire concentraties zo laag als 50 delen per miljoen met een precisie van 50 delen per miljard. Met verder werk, de onderzoekers denken dat het systeem een ​​nog grotere gevoeligheid kan bereiken.

Ademanalyse verbeteren

Naast het feit dat het is voorbereid voor een scala aan toepassingen in omgevings- en beroepsmatige VOS-detectie, het nieuwe systeem zou kunnen worden toegepast in medische ademanalyse of ter verbetering van de huidige normen voor het meten van het alcoholgehalte in de adem.

In een paper gepubliceerd op 12 februari in het tijdschrift The Optical Society Optica Express , het Empa-team meldt detectie van alcohol in de lucht in concentraties zo laag als 9 delen per miljard met behulp van een QCL. Deze resultaten suggereren dat het gebruik van QCL-lasergebaseerde spectrometers voor ademalcoholanalyse een weg kan bieden naar een wereldwijd verbeterde betrouwbaarheid en standaardisatie van 's werelds meest voorkomende forensische test, zeggen onderzoekers.