La spettroscopia di assorbimento basata su laser è un metodo importante per determinare la concentrazione dei componenti del gas in un campione. I dispositivi moderni sono altamente specializzati per il rilevamento di gas molto specifici, come i gas in tracce nell'atmosfera, nei fumi di scarico della combustione e nelle applicazioni tecniche del plasma.
Per fare ciò, misurano la proporzione di luce di una specifica lunghezza d'onda che viene assorbita o attenuata da un campione. Ciò consente di determinare la concentrazione del gas. La lunghezza d'onda di rilevamento selezionata dipende da quale molecola deve essere misurata.
Un problema comune è che molecole diverse possono assorbire la stessa luce, anche a una lunghezza d’onda scelta in modo intelligente. "Gli spettri di assorbimento delle diverse molecole di gas a volte si sovrappongono in modo molto significativo. Ciò significa che se voglio rilevare la molecola A, ricevo sempre un segnale più o meno forte anche dalla molecola B", spiega il professor Gernot Friedrichs dell'Istituto di chimica fisica presso l'Università di Kiel (CAU).
Questa cosiddetta sensibilità incrociata limita l'efficacia del metodo di misurazione. Finora questo problema è stato eliminato o almeno ridotto mediante misurazioni aggiuntive a diverse lunghezze d'onda, ovvero la misurazione degli spettri, oppure i gas interferenti vengono separati mediante metodi gascromatografici prima della misurazione vera e propria.
Friedrichs e il suo ex dottorando, il dottor Ibrahim Sadiek dell'Istituto Leibniz per la scienza e la tecnologia del plasma e.V. (INP), Greifswald, hanno ora dimostrato che esiste una soluzione più semplice. Hanno sviluppato un metodo per superare questa sensibilità incrociata nella spettroscopia di assorbimento, anche quando le misurazioni vengono condotte solo a una lunghezza d'onda.
Lo studio di fattibilità per il nuovo metodo due specie-una lunghezza d'onda (2S1W), in attesa di brevetto, basato sulla saturazione ottica selettiva è stato recentemente pubblicato sulla rivista Scientific Reports .
Il nuovo metodo sfrutta il fenomeno della saturazione ottica nelle molecole. Lo stato di saturazione ottica si verifica solo con intensità luminose elevate, che oggi possono essere generate abbastanza facilmente con i laser. Le molecole diventano quindi "trasparenti" per la spettroscopia di assorbimento, il che significa che la luce irradiata non viene più attenuata. Il punto in cui il campione diventa trasparente è una proprietà del rispettivo tipo di gas.
Finora la saturazione ottica era considerata svantaggiosa per le misure di assorbimento e quindi evitata il più possibile, poiché distorce la misura di concentrazione. Tuttavia, Sadiek e Friedrichs hanno ora dimostrato nel loro studio che sfruttare la saturazione ottica selettiva può persino aiutare a determinare separatamente le concentrazioni di due molecole che interferiscono completamente a vicenda a una lunghezza d'onda fissa.
"Per fare ciò, abbiamo variato l'intensità della luce molto rapidamente e in un ampio intervallo in una cella di misurazione speciale. A bassa intensità luminosa, viene misurata la somma degli assorbimenti di entrambe le specie, mentre ad alta intensità luminosa, una delle molecole viene saturato. Quindi abbiamo rilevato il segnale di una sola specie, nel nostro caso è stato rilevato il cloruro di metile, poiché il metano era già saturo", ha sottolineato Sadiek. "Quando l'abbiamo provato per la prima volta, siamo rimasti affascinati da quanto bene funzionasse nel separare i segnali di entrambe le specie in questo modo concettualmente semplice."
Un problema tipico nella pratica è, ad esempio, il rilevamento degli idrocarburi clorurati, che si trovano in concentrazioni molto basse nell'atmosfera. "Se si desidera rilevarli senza prima separare la miscela, si presenta automaticamente il problema che i gas traccia presenti in concentrazioni più elevate, come l'anidride carbonica o il metano e soprattutto il vapore acqueo, quindi l'umidità, interferiscono con la misurazione. Con il nostro metodo, possiamo semplicemente rendere questi gas interferenti invisibili nello spettro", ha spiegato Friedrichs.
Il suo gruppo sta attualmente lavorando su progetti di ricerca marina per sviluppare ulteriormente il metodo da utilizzare negli spettrometri di assorbimento convenzionali. Il potenziale di riduzione delle sensibilità incrociate verrà poi dimostrato mediante misurazioni sul campo al fine di studiare meglio i processi di scambio nell'interfaccia acqua-aria. In linea di principio, il metodo è adatto anche per il rilevamento simultaneo di un gran numero di gas in tracce, a condizione che abbiano un'intensità di saturazione sufficientemente diversa.
Ulteriori informazioni: Ibrahim Sadiek et al, Rilevamento di due specie – una lunghezza d'onda basato sulla spettroscopia di saturazione ottica selettiva, Rapporti scientifici (2023). DOI:10.1038/s41598-023-44195-3
Informazioni sul giornale: Rapporti scientifici
Fornito dall'Università di Kiel
