Кілька років тому професор Біргітта Бернхардт та її група в Інституті експериментальної фізики Технологічного університету Граца (TU Graz) в Австрії розробили перший у світі широкосмуговий УФ-спектрометр із подвійною{0}}гребінкою для виявлення та вимірювання забруднювачів повітря (газів) у режимі реального часу. А тепер вони створили компактну мобільну версію (перегляньте відео)-ще більш чутливу та точну-для захоплення молекулярних відбитків забруднювачів повітря з високою спектральною роздільною здатністю (1 ГГц), широкою смугою пропускання (12 ТГц) і суб{6}}секундним збором даних у діапазоні 2,5 кілометрів (1,55 милі).
Подвійна -гребінчаста спектроскопія поєднує високу спектральну роздільну здатність, широке спектральне покриття та короткий час отримання. У той час як цей підхід відомий своїми перевагами в інфрачервоній (ІЧ) області спектру, УФ-діапазон залишається дещо недослідженим через відсутність прямих частотних джерел.
Але спектральна область ультрафіолетового випромінювання «надзвичайно важлива, і наш пристрій дозволяє отримати доступ не лише до інформації про обертання та коливання молекулярних зразків, але й збуджує електронні переходи», — каже Бернхардт. «Це тригери для різних фотохімічних реакцій, які дуже важливі для фотохімії в нашій атмосфері».
Дві лазерні частотні гребінки
Подвійна-комбінована спектроскопія поєднує дві лазерні частотні гребінки з дещо різною частотою повторення, і коли ці серії імпульсів заважають,-ефективно перетворює високі оптичні частоти в радіочастотну область прямого доступу.
«Ми також можемо виміряти оптичні властивості-поглинання чи дисперсії-досліджуваних зразків за допомогою простого фотодіода», — говорить Бернхардт. «Ця техніка тепер використовується в УФ-діапазоні завдяки потроєнню частоти ІЧ-випромінювання компактного одно-резонаторного-гребінчастого лазера».
Завдяки принципу подвійної-гребінки їхній спектрометр досягає роздільної здатності в один мільйон за менш{1}}секундний час вимірювання. «Це унікальна комбінація, яку ви не можете досягти за допомогою звичайних гратчастих спектрометрів або монохроматорів», — каже Бернхардт.
Main benefits of the group's design changes? Broad spectral coverage of >10 ТГц, короткий час збору (півсекунди), висока роздільна здатність 1 000 000, висока чутливість (поперечні перерізи поглинання лише 10-22см2/молекула) і висока точність-усе в недослідженій УФ-спектральній області.
«Наша установка мобільна і не потребує будь-якого складного електронного стабілізаційного обладнання», — зазначає Бернхардт. "Наш попередній проект включав додаткову електронну стійку. Завдяки її спрощенню спектрометр на шляху до того, щоб стати зручним для користувачів-і не лише для експертів із спектроскопії."
Безпрецедентна точність УФ-спектрометра з подвійною гребінкою-
Мобільний УФ-спектрометр із подвійною гребінкою дозволив дослідникам точно виміряти моделі поглинання УФ-світла формальдегідом (забруднювачем атмосфери та леткою органічною сполукою). Ці вимірювання були настільки точними, що «ми виявили безліч резонансів формальдегіду, які ніколи раніше не спостерігалися експериментально», — говорить Бернхардт. "Це був чудовий момент!"
Насправді їхні вимірювання показали, що обертальні константи формальдегіду в підручниках фізики з 1960-х років є неточними. Співпрацюючи з відділом атомної та молекулярної фізики Гарвардського та Смітсонівського центру астрофізики в США, Бернхардт і її група скоригували значення цього фундаментального{4}}специфічного параметра молекули на 15%.
Професор Рольф Брейнбауер і його група в Інституті органічної хімії ТУ Грац долучилися до цієї роботи, забезпечивши високо{0}}чистий формальдегід.
Авторство: Wolf/TU Graz
Дослідники в лабораторії з мобільним УФ-спектрометром із подвійною{0}}гребінкою-(зліва направо) Рольф Брайнбауер, Біргітта Бернхардт, Клеменс Хоффман і Мітхун Пал.
Далі: ще більш компактний і стабільний?
Скрізь, де можуть бути цікаві спектральні сигнатури, існують програми для мобільного УФ-спектрометра з подвійною-гребінкою. Його можна використовувати для фундаментальної спектроскопії (для дослідження фундаментальних оптичних властивостей будь-яких видів), вимірювань якості повітря (хімічний склад забруднюючих речовин в атмосфері), біосенсору та навіть для медичного аналізу дихання.
Зрозуміло, що підвищення точності вимірювань якості повітря виділяється через його потенціал допомогти демістифікувати забруднення атмосферного повітря та його вплив на Землю.
«Наш спектрометр завжди працює в моїй групі Coherent Sensing в TU Graz», — каже Бернхардт. «Оскільки існує багато видів, які потрібно вивчати, ми шукаємо способи зробити прилад ще більш компактним, щоб проводити з ним польові кампанії вимірювань якості повітря».
