I ricercatori hanno sviluppato un nuovo modo di far funzionare i laser a cascata quantica in miniatura (QCL) per misurare rapidamente gli spettri di assorbimento di diverse molecole organiche nell'aria contemporaneamente. La tecnica offre un metodo sensibile per rilevare basse concentrazioni di composti organici volatili (VOC), migliorare la capacità di monitorare come questi composti influenzano la salute umana, processi industriali e qualità dell'aria ambiente. Il nuovo sistema potrebbe anche migliorare l'affidabilità dei test sull'alcol etilico distinguendo in modo più selettivo tra l'etanolo e gli altri gas espirati dalle persone.
I QCL sono costituiti da più strati di semiconduttori disposti per aumentare le emissioni di fotoni sfruttando gli effetti quantistici. I ricercatori hanno progettato una configurazione basata su QCL che misura i composti che assorbono le radiazioni elettromagnetiche su un ampio spettro con un singolo laser, un'attività che in precedenza avrebbe richiesto la collaborazione di più laser.
I COV si trovano comunemente negli scarichi dei veicoli, solventi, materiali da costruzione e molti altri prodotti. Possono essere dannosi per le persone e gli ecosistemi, e contribuiscono alla produzione di ozono troposferico e al riscaldamento globale. I metodi in tempo reale per identificare e tracciare i COV sono importanti per i ricercatori sull'inquinamento e sul clima, organizzazioni di sanità pubblica, produttori, primi soccorritori e spedizionieri, tra gli altri.
Il nuovo sistema, basato su un laser a infrarossi sintonizzabile elettricamente senza parti meccaniche, fornisce una precisione sufficiente e scansiona una gamma sufficientemente ampia di frequenze ottiche per identificare contemporaneamente diverse specie presenti e determinarne le concentrazioni. I ricercatori con sede in Svizzera, guidato da Lukas Emmenegger dell'Empa, un istituto di scienza e tecnologia dei materiali, descriveranno il loro nuovo metodo al congresso sui sensori e i sensori ottici della Optical Society, che si svolgerà dal 25 al 27 giugno a San Jose, California, durante Sensors Expo 2019.
Aprire finestre strette su un ampio spettro
A differenza del compito di rilevare un singolo composto chimico, l'identificazione delle diverse specie all'interno dei VOC richiede la selezione dell'uscita ottica del QCL su una gamma molto ampia di frequenze. Per realizzare questo, i ricercatori hanno utilizzato un tipo relativamente nuovo di QCL, ottimizzato per essere regolabile su una gamma di frequenze di emissione più ampia del normale, noto come Very Large Tuning QCL (QC-XT), e ha alimentato il dispositivo in modalità intermittente per massimizzare la sintonizzazione ottica e ridurre al minimo il consumo di energia del laser.
Quindi hanno introdotto la principale innovazione del nuovo approccio:riscaldando lo specchio anteriore o posteriore del laser con brevi impulsi di corrente elettrica, hanno scoperto che potevano selezionare l'intervallo di frequenze che il laser avrebbe prodotto dal cosiddetto effetto Vernier. Utilizzando questo approccio, il setup si muove essenzialmente attraverso diversi canali di osservazione lungo lo spettro di assorbimento della molecola in cui possono essere misurati dettagli precisi e confrontati con caratteristiche spettrali note, offrendo una copertura quasi continua su un'ampia gamma di frequenze con grande precisione.
"La rapida commutazione tra i diversi canali del QCL offre selettività e sensibilità in tempo reale senza precedenti per il rilevamento di VOC, " disse Emmenegger.
"Le misurazioni VOC ad alta precisione sono attualmente dominate dai metodi classici, come la gascromatografia o la spettrometria di massa. La combinazione dell'elevata risoluzione spettrale di QCL a feedback distribuito ben consolidati con la capacità multicanale di QC-XT può diventare un punto di svolta nel campo dell'analisi VOC, " ha aggiunto Emmenegger.
Rilevamento rapido e sensibile
Questo approccio analitico innovativo si presta particolarmente bene al riconoscimento rapido di caratteristiche spettrali ampiamente spaziate dei VOC. Per testare il metodo, il team ha utilizzato la nuova configurazione per misurare contemporaneamente gli spettri infrarossi di una miscela di metanolo, etanolo e acetaldeide.
La dimostrazione ha mostrato che il metodo distingue con successo ogni specie molecolare dalle altre ed è veloce e sensibile. Un ciclo di misurazioni attraverso sei diversi canali spettrali ha richiesto un totale di 18 millisecondi. Mentre i singoli canali vengono scansionati a una risoluzione spettrale molto elevata in soli 50 microsecondi, la maggior parte del tempo viene speso per regolare il riscaldamento elettrico dei componenti laser per selezionare la posizione del canale successivo lungo gli spettri.
Il sistema ha valutato le concentrazioni molecolari a partire da 50 parti per milione con una precisione di 50 parti per miliardo. Con ulteriore lavoro, i ricercatori ritengono che il sistema potrebbe raggiungere una sensibilità ancora maggiore.
Migliorare l'analisi del respiro
Oltre ad essere pronto per una serie di applicazioni nel rilevamento di COV ambientale e professionale, il nuovo sistema potrebbe trovare applicazione nell'analisi medica dell'alito o per migliorare gli standard attualmente utilizzati per la misurazione del contenuto alcolico dell'alito.
In un articolo pubblicato il 12 febbraio sulla rivista della The Optical Society Ottica Express , il team Empa segnala il rilevamento di alcol nell'aria a concentrazioni di appena 9 parti per miliardo utilizzando un QCL. Questi risultati suggeriscono che l'uso di spettrometri basati su laser QCL per l'analisi dell'alcol espirato può offrire una strada per una migliore affidabilità e standardizzazione a livello globale dei test forensi più frequenti al mondo, dicono i ricercatori.
