Fotoakoestische spectroscopie toegepast op achtergrondvrije analyses werd gebruikt om ongekend kleine spoorgasconcentraties te meten. Teemu Tomberg van de Universiteit van Helsinki ontwikkelde detectiemethoden die het mogelijk maken om extreem kleine sporen van verschillende gassen te meten.

Waarom moeten lage concentraties worden gemeten?

Sporengassen duiden stoffen aan die in zeer geringe hoeveelheden in lucht en andere media voorkomen. Ondanks hun lage concentraties, sporengassen kunnen een aanzienlijke invloed hebben op de chemische eigenschappen van gasvormige verbindingen. Om deze reden, hun precieze identificatie en kwantificering is belangrijk.

In zijn proefschrift, Teemu Tomberg richtte zich op het ontwikkelen van methoden voor het detecteren van sporengas op basis van achtergrondvrije laserabsorptiespectroscopie.

"Achtergrondvrij betekent dat een poging wordt gedaan om storende signalen te elimineren die niet afkomstig zijn van het te meten doel, ', zegt Tomberg.

De betreffende methoden hebben bijzondere eigenschappen waardoor ze zeer geschikt zijn voor het detecteren van extreem lage gasconcentraties. Dergelijke kenmerken omvatten schaalbaarheid met optisch vermogen gecombineerd met verminderde gevoeligheid voor fluctuaties in optisch vermogen.

Laserstralen en geluidsgolven

In zijn proefschrift, Tomberg gebruikte twee spectroscopische benaderingen:een nieuwe interferometrische methode voor het meten van achtergrondvrije breedbandabsorptiespectra, en cantilever-verbeterde fotoakoestische spectroscopie.

Het onderzoek werd gedaan aan de afdeling Scheikunde van de Universiteit van Helsinki. Tomberg voerde zijn werk uit in de Laser Spectroscopy Group en zijn supervisors waren groepsleider, Universitair hoofddocent Markku Vainio en professor Lauri Halonen.

"Ik heb de metingen in het midden-infraroodgebied uitgevoerd met behulp van een aantal verschillende laserlichtbronnen, zoals optische parametrische oscillatoren, optische frequentiekammen en kwantumcascadelasers, ', zegt Tomberg.

Een van de prestaties van Tomberg was het demonstreren van de nieuwe achtergrondvrije interferometrische meettechniek met behulp van een ultramoderne mid-infrarood dual-kam spectrometer. Het onderzoek is uitgevoerd bij CREOL, het College van Optica en Fotonica, onder toezicht van professor Konstantin Vodopyanov.

Door zijn metingen, Tomberg toonde aan dat de nieuwe techniek de signaal-ruisverhouding van absorptiespectroscopie met ongeveer een factor vijf verbetert in vergelijking met reguliere directe absorptiespectroscopie. Het behaalde voordeel werd beperkt door het lage optische vermogen van de gebruikte lasers, en de signaal-ruisverhouding kan zelfs verder worden verbeterd door gebruik te maken van krachtige lasers.

Bij het onderzoeken van cantilever-versterkte fotoakoestische spectroscopie, Tomberg bereikte detectiegevoeligheden op recordniveau door gebruik te maken van een hoog optisch vermogen.

Een concurrent voor coronavirushonden?

De door Tomberg ontwikkelde methoden hebben interessante toepassingsmogelijkheden.

Door ze te combineren met gaschromatografie kunnen steeds betrouwbaardere analyses worden gemaakt van zelfs complexe gasmengsels die verbindingen met zowel kleine als grote molecuulgewichten bevatten. Een dergelijke toepassing zou een kunstmatige neus zijn voor het opsporen van ziekten.

Echter, het voordeel van honden is hun vermogen om coronavirus te detecteren, zelfs zonder dat we precies weten welke moleculen ze ruiken. Om een ​​kunstneus te laten functioneren zoals bedoeld, eerst moeten de relevante te meten biomarkermoleculen worden geïdentificeerd.

De studie opent nieuwe wegen voor de ontwikkeling van apparatuur voor veldtoepassingen. De bevindingen van Tomberg illustreren hoe laserabsorptiespectroscopie kan worden gebruikt als een geavanceerde detectorgaschromatograaf, vooral in veldtoepassingen waar de compactheid en onderhoudsvrije werking van lasers nuttig zijn.