Lasergebaseerde absorptiespectroscopie is een belangrijke methode voor het bepalen van de concentratie van gascomponenten in een monster. Moderne apparaten zijn zeer gespecialiseerd in het detecteren van zeer specifieke gassen, zoals sporengassen in de atmosfeer, in verbrandingsuitlaatgassen en in technische toepassingen van plasma's.

Om dit te doen meten ze het aandeel licht van een specifieke golflengte dat door een monster wordt geabsorbeerd of verzwakt. Hierdoor kan de concentratie van het gas worden bepaald. De geselecteerde detectiegolflengte is afhankelijk van welk molecuul moet worden gemeten.

Een veelvoorkomend probleem is dat verschillende moleculen hetzelfde licht kunnen absorberen, zelfs bij een slim gekozen golflengte. "De absorptiespectra van de verschillende gasmoleculen overlappen elkaar soms zeer aanzienlijk. Dit betekent dat als ik molecuul A wil detecteren, ik ook altijd een variërende mate van sterk signaal van molecuul B krijg", legt professor Gernot Friedrichs van het Instituut voor Fysische Chemie uit. aan de Universiteit van Kiel (CAU).

Deze zogenaamde kruisgevoeligheid beperkt de effectiviteit van de meetmethode. Tot nu toe is dit probleem geëlimineerd of op zijn minst verminderd door aanvullende metingen bij verschillende golflengten, d.w.z. het meten van spectra, of worden de storende gassen gescheiden door middel van gaschromatografische methoden vóór de daadwerkelijke meting.

Friedrichs en zijn voormalige promovendus, Dr. Ibrahim Sadiek van het Leibniz Institute for Plasma Science and Technology e.V. (INP), Greifswald, hebben nu aangetoond dat er een eenvoudigere oplossing bestaat. Ze hebben een methode ontwikkeld om deze kruisgevoeligheid bij absorptiespectroscopie te overwinnen, zelfs wanneer metingen slechts bij één golflengte worden uitgevoerd.

De haalbaarheidsstudie voor de nieuwe, gepatenteerde methode met twee soorten één golflengte (2S1W), gebaseerd op selectieve optische verzadiging, is onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Scientific Reports .

Het elimineren van storende signalen met behulp van optische verzadiging

De nieuwe methode maakt gebruik van het fenomeen optische verzadiging in moleculen. De toestand van optische verzadiging treedt alleen op bij hoge lichtintensiteiten, die tegenwoordig vrij eenvoudig met lasers kunnen worden gegenereerd. De moleculen worden dan "transparant" voor absorptiespectroscopie, wat betekent dat het ingestraalde licht niet langer wordt verzwakt. Het punt waarop het monster transparant wordt, is een eigenschap van het betreffende gastype.

Tot nu toe werd optische verzadiging als nadelig beschouwd voor absorptiemetingen en daarom zoveel mogelijk vermeden, omdat deze de concentratiemeting verstoort. Sadiek en Friedrichs hebben nu echter in hun onderzoek aangetoond dat het benutten van selectieve optische verzadiging zelfs kan helpen om de concentraties van twee volledig onderling interfererende moleculen bij een vaste golflengte afzonderlijk te bepalen.

“Daartoe hebben we in een speciale meetcel de lichtintensiteit heel snel en over een groot bereik gevarieerd. Bij een lage lichtintensiteit wordt de som van de absorpties van beide soorten gemeten, en bij een hoge lichtintensiteit wordt één van de moleculen gemeten. verzadigd. We hebben dus slechts het signaal van één soort gedetecteerd. In ons geval werd het methylchloride gedetecteerd, omdat het methaan al verzadigd was”, benadrukt Sadiek. "Toen we dit voor het eerst probeerden, waren we gefascineerd door hoe goed het eigenlijk werkt om de signalen van beide soorten op deze conceptueel eenvoudige manier te scheiden."

Een typisch praktijkprobleem is bijvoorbeeld het detecteren van gechloreerde koolwaterstoffen, die in zeer lage concentraties in de atmosfeer voorkomen. "Als je ze wilt detecteren zonder het mengsel vooraf te scheiden, loop je automatisch tegen het probleem aan dat de sporengassen die in hogere concentraties aanwezig zijn, zoals kooldioxide of methaan en vooral waterdamp, oftewel de luchtvochtigheid, de meting verstoren. Met onze Met deze methode kunnen we deze interfererende gassen eenvoudigweg onzichtbaar maken in het spectrum", legt Friedrichs uit.

Zijn groep werkt momenteel aan mariene onderzoeksprojecten om de methode verder te ontwikkelen voor gebruik in conventionele absorptiespectrometers. Het potentieel voor het verminderen van kruisgevoeligheid zal vervolgens worden gedemonstreerd in veldmetingen om uitwisselingsprocessen op het water-lucht grensvlak beter te onderzoeken. In principe is de methode ook geschikt voor het gelijktijdig detecteren van een groot aantal sporengassen, mits deze een voldoende verschillende verzadigingsintensiteit hebben.

Meer informatie: Ibrahim Sadiek et al, Twee soorten:detectie van één golflengte op basis van selectieve optische verzadigingsspectroscopie, Wetenschappelijke rapporten (2023). DOI:10.1038/s41598-023-44195-3

Journaalinformatie: Wetenschappelijke rapporten

Aangeboden door de Universiteit van Kiel