La spettroscopia fotoacustica applicata alle analisi senza sfondo è stata utilizzata per misurare concentrazioni di gas in tracce senza precedenti. Teemu Tomberg dell'Università di Helsinki ha sviluppato metodi di rilevamento che consentono di misurare tracce estremamente piccole di vari gas.

Perché dovrebbero essere misurate le basse concentrazioni?

I gas in tracce indicano sostanze che si trovano in quantità molto basse nell'aria e in altri mezzi. Nonostante le loro basse concentrazioni, i gas in tracce possono avere un impatto significativo sulle proprietà chimiche dei composti gassosi. Per questa ragione, la loro precisa identificazione e quantificazione è importante.

Nella sua tesi di dottorato, Teemu Tomberg si è concentrato sullo sviluppo di metodi di rilevamento dei gas in tracce basati sulla spettroscopia di assorbimento laser senza sfondo.

"Senza sfondo significa che si cerca di eliminare qualsiasi segnale di interferenza non proveniente dal target misurato, "dice Tomberg.

I metodi in questione hanno caratteristiche speciali che li rendono adatti alla rilevazione di concentrazioni di gas estremamente basse. Tali caratteristiche includono la scalabilità con potenza ottica combinata con una ridotta sensibilità alle fluttuazioni della potenza ottica.

Raggi laser e onde sonore

Nella sua tesi, Tomberg ha utilizzato due approcci spettroscopici:un nuovo metodo interferometrico per la misurazione degli spettri di assorbimento a banda larga senza sfondo, e spettroscopia fotoacustica a sbalzo.

La ricerca è stata condotta presso il Dipartimento di Chimica dell'Università di Helsinki. Tomberg ha svolto il suo lavoro nel gruppo di spettroscopia laser e i suoi supervisori erano leader del gruppo, Professore associato Markku Vainio e Professor Lauri Halonen.

"Ho condotto le misurazioni nella regione del medio infrarosso utilizzando una serie di diverse sorgenti di luce laser, come oscillatori parametrici ottici, pettini di frequenza ottici e laser a cascata quantica, "dice Tomberg.

Tra i successi di Tomberg c'era la dimostrazione della nuova tecnica di misurazione interferometrica senza sfondo con l'aiuto di uno spettrometro a doppio pettine all'avanguardia nel medio infrarosso. Lo studio è stato condotto presso CREOL, il Collegio di Ottica e Fotonica, sotto la supervisione del professor Konstantin Vodopyanov.

Attraverso le sue misurazioni, Tomberg ha dimostrato che la nuova tecnica migliora il rapporto segnale-rumore della spettroscopia di assorbimento di circa un fattore cinque rispetto alla normale spettroscopia di assorbimento diretto. Il vantaggio ottenuto è stato limitato dalla bassa potenza ottica dei laser utilizzati, e il rapporto segnale-rumore può infatti essere ulteriormente migliorato utilizzando laser ad alta potenza.

Nello studio della spettroscopia fotoacustica a sbalzo, Tomberg ha raggiunto una sensibilità di rilevamento da record impiegando un'elevata potenza ottica.

Un concorrente per cani coronavirus?

I metodi sviluppati da Tomberg hanno interessanti potenzialità applicative.

La loro combinazione con la gascromatografia consente analisi sempre più affidabili di miscele di gas anche complesse contenenti composti con pesi molecolari sia piccoli che grandi. Una di queste applicazioni sarebbe un naso artificiale per rilevare le malattie.

Però, il vantaggio dei cani è la loro capacità di rilevare il coronavirus anche senza che noi sappiamo con precisione quali molecole stanno annusando. Affinché un naso artificiale funzioni come previsto, le molecole di biomarcatore rilevanti da misurare dovrebbero essere prima identificate.

Lo studio apre nuove strade per lo sviluppo di apparecchiature per applicazioni sul campo. Le scoperte di Tomberg illustrano come la spettroscopia di assorbimento laser può essere utilizzata come un gascromatografo rivelatore avanzato, in particolare nelle applicazioni sul campo in cui sono utili la compattezza e il funzionamento esente da manutenzione dei laser.