Несколько лет назад профессор Биргитта Бернхардт и ее группа из Института экспериментальной физики Технологического университета Граца (TU Graz) в Австрии разработали первый в мире широкополосный УФ-спектрометр с двойной гребенкой для обнаружения и измерения загрязнителей воздуха (газов) в режиме реального времени. И теперь они создали компактную мобильную версию (см. видео)-еще более чувствительную и точную-для захвата молекулярных отпечатков загрязнителей воздуха с высоким спектральным разрешением (1 ГГц), широкой полосой пропускания (12 ТГц) и временем регистрации менее-секунды на расстоянии до 2,5 километров (1,55 мили).
Двойная-гребенчатая спектроскопия сочетает в себе высокое спектральное разрешение, широкий спектральный охват и короткое время сбора данных. Хотя этот подход известен своими сильными сторонами в инфракрасной (ИК) области спектра, УФ-область спектра остается несколько недостаточно изученной из-за отсутствия источников прямой гребенки частот.
Но УФ-область спектра «чрезвычайно важна, и наше устройство позволяет получить доступ не только к информации о вращении и колебании молекулярных образцов, но и о возбуждении электронных переходов», — говорит Бернхардт. «Это триггеры различных фотохимических реакций, которые очень важны для фотохимии в нашей атмосфере».
Две лазерные частотные гребенки
Двойная-гребенчатая спектроскопия сочетает в себе две лазерные гребенки частот с немного разными частотами повторения, и когда эти последовательности импульсов мешают, она понижает-эффективно преобразует высокие оптические частоты в непосредственно доступную радиочастотную область.
«Мы также можем измерять оптические свойства -поглощения или дисперсии- исследуемых образцов с помощью простого фотодиода», — говорит Бернхардт. «В настоящее время этот метод используется в УФ-диапазоне путем утроения частоты ИК-излучения компактного однорезонаторного двухрезонаторного-гребенчатого лазера».
Благодаря принципу двойной-гребенки их спектрометр достигает разрешающей способности в один миллион за время измерения менее-секунды. «Это уникальная комбинация, которую невозможно достичь с помощью обычных решеточных спектрометров или монохроматоров», — говорит Бернхардт.
Main benefits of the group's design changes? Broad spectral coverage of >10 ТГц, малое время сбора данных (полсекунды), высокая разрешающая способность 1 000 000, высокая чувствительность (сечение поглощения всего 10-22см2/молекула) и высокой точностью-и все это в малоизученной УФ-области спектра.
«Наша установка мобильна и не требует какого-либо сложного оборудования электронной стабилизации», — отмечает Бернхардт. «Наш предыдущий проект включал дополнительную электронную стойку. Благодаря ее упрощению спектрометр станет удобным для пользователя-и не только для специалистов по спектроскопии».
Беспрецедентная точность УФ-спектрометра с двумя-гребенками
Мобильный УФ-спектрометр с двумя-гребенками, созданный группой, позволил исследователям точно измерить структуру поглощения ультрафиолетового света формальдегидом (загрязнителем атмосферы и летучим органическим соединением). Эти измерения были настолько точными, что «мы обнаружили множество резонансов формальдегида, которые никогда раньше не наблюдались экспериментально», — говорит Бернхардт. «Это был великолепный момент!»
Фактически, их измерения показали, что вращательные константы формальдегида в учебниках физики с 1960-х годов являются неточными. Сотрудничая с отделом атомной и молекулярной физики Гарвардского и Смитсоновского центра астрофизики в США, Бернхардт и ее группа скорректировали значения этого фундаментального параметра, специфичного для молекулы, на целых 15 %.
Профессор Рольф Брейнбауэр и его группа из Института органической химии Технического университета Граца внесли свой вклад в эту работу, предоставив формальдегид высокой-чистоты.
Фото: Вольф/ТУ Грац
Исследователи в лаборатории с мобильным УФ-спектрометром с двойной гребенкой--(слева направо): Рольф Брейнбауэр, Биргитта Бернхардт, Клеменс Хоффман и Митхун Пал.
Далее: Еще более компактный и стабильный?
Везде, где спектральные характеристики могут представлять интерес, можно использовать мобильный УФ-спектрометр с двойной гребенкой. Его можно использовать для фундаментальной спектроскопии (для изучения фундаментальных оптических свойств любых видов), измерения качества воздуха (химия загрязняющих веществ в атмосфере), биосенсорства и даже для медицинского анализа дыхания.
Очевидно, что повышение точности измерений качества воздуха выделяется тем, что оно может помочь демистифицировать загрязнение атмосферного воздуха и его воздействие на Землю.
«Наш спектрометр всегда работает в моей группе когерентного зондирования в Техническом университете Граца», — говорит Бернхардт. «Поскольку существует множество видов, которые предстоит изучить, мы изучаем способы сделать прибор еще более компактным, чтобы проводить с его помощью полевые кампании по измерению качества воздуха».
