Een nieuwe vooruitgang belooft de gevoeligheid te verhogen van spectrometers met hoge resolutie die chemische analyses uitvoeren met behulp van terahertz-golflengten. Deze hogere gevoeligheid kan veel toepassingen ten goede komen, zoals analyse van de complexe gasmengsels die worden aangetroffen in industriële emissies en detectie van biomarkers van ziekte in de adem van patiënten. Het kan ook leiden tot nieuwe manieren om voedselbederf te detecteren door middel van gasdetectie.

In optiek , Het tijdschrift van de Optical Society (OSA) voor onderzoek met hoge impact, onderzoekers onder leiding van Gaël Mouret van de Université du Littoral-Côte d'Opale in Frankrijk rapporteren een nieuwe hoogwaardige optische holte voor terahertz-frequenties. Ze gebruikten deze holte om de eerste overtuigende holte-versterkte spectroscopie te demonstreren die werd uitgevoerd met terahertz-frequenties.

Terahertz-frequenties liggen tussen microgolven en infrarode lichtgolven op het elektromagnetische spectrum. Voor spectroscopische gasanalyse, terahertz-frequenties verbeteren het vermogen om onderscheid te maken tussen moleculen in een monster en om een ​​grote verscheidenheid aan moleculen te detecteren. Echter, de technologie die nodig is om deze frequenties volledig te benutten, is nog in ontwikkeling.

"Verschillende onderzoeken hebben terahertz-frequenties gebruikt om industriële gassen te analyseren die in de atmosfeer worden uitgestoten, maar ze zijn allemaal gehinderd door een gebrek aan gevoeligheid, " zei Francis Hindle, lid van het onderzoeksteam. "Onze nieuwe optische holte zal de soorten moleculen uitbreiden die kunnen worden geïdentificeerd met terahertz-gasfasespectroscopie en het haalbare detectieniveau verbeteren."

Toenemende gevoeligheid

De onderzoekers gebruikten nieuw beschikbare componenten om een ​​ultrafijne terahertz optische holte te construeren, een opstelling van spiegels en een golfgeleider die licht opsluit zodat het meerdere keren reflecteert. Optische holtes met hoge finesse vertonen een zeer laag lichtverlies en laten het licht dus vaker tussen de spiegels kaatsen voordat het de holte verlaat. De nieuwe componenten omvatten een ronde gegolfde golfgeleider met weinig verlies en twee sterk reflecterende fotonische spiegels die speciaal zijn ontworpen om goed te werken bij terahertz-frequenties.

Voor holte-versterkte spectroscopie, een gasmengsel wordt in de optische holte geplaatst waar het interageert met het licht binnenin. Door de nieuwe holte kunnen terahertz-golven ongeveer 3000 keer heen en weer stuiteren voordat ze worden verlaten. Dit betekent dat moleculen die worden geanalyseerd een interactie aangaan met de terahertz-frequenties over een effectieve afstand van ongeveer een kilometer in een resonator van slechts 50 centimeter lang. Terwijl de golven rondkaatsen, ze kunnen vele malen worden geabsorbeerd door alle aanwezige moleculen, waardoor een zeer gevoelige meting mogelijk is.

"Een holte met deze finesse was niet eerder beschikbaar bij terahertz-frequenties, "zei Hindle. "Door deze vooruitgang kunnen terahertz-frequenties worden toegepast op veel zeer gevoelige technieken die al in het infrarood worden gebruikt."

Zeldzame moleculen detecteren

Om holte-versterkte spectroscopie van een gas te demonstreren met hun nieuwe apparaat, analyseerden de onderzoekers een monster van carbonylsulfidegas, die van nature in de atmosfeer voorkomt. Hoewel het gasmonster veel isotopen van carbonylsulfide bevatte, de onderzoekers konden een zeer zeldzame isotoop meten die aanwezig was in een concentratie van slechts één molecuul per 50, 000 moleculen. Het meten van de verhoudingen van verschillende chemische isotopen in een monster kan worden gebruikt om de bron van een verontreinigende stof te bepalen.

De onderzoekers zijn van plan het frequentiebereik van de spectrometer uit te breiden, zodat deze kan worden gebruikt om nog complexere moleculen en mengsels te analyseren.

"Ons onderzoek toont aan dat het nu mogelijk is om eenvoudig zeer fijne terahertz-holtes te construeren en deze te gebruiken voor het meten van gassen met een hoge resolutie, " zei Hindle. "Dit zou kunnen bijdragen aan een betere monitoring van een grote verscheidenheid aan gassen die in zeer lage hoeveelheden aanwezig zijn voor toepassingen van milieu- en industriële vervuiling tot medicijnen."