Hace unos años, la profesora Birgitta Bernhardt y su grupo del Instituto de Física Experimental de la Universidad Tecnológica de Graz (TU Graz) en Austria diseñaron el primer espectrómetro de peine dual{0}}UV de banda ancha del mundo para detectar y medir contaminantes del aire (gases) en tiempo real. Y ahora han creado una versión móvil compacta (ver vídeo)-aún más sensible y precisa-para capturar huellas dactilares moleculares de contaminantes del aire con alta resolución espectral (1 GHz), amplio ancho de banda (12 THz) y adquisición en menos-segundos dentro de un rango de 2,5 kilómetros (1,55 millas).
La espectroscopia de peine dual-combina una alta resolución espectral, una amplia cobertura espectral y tiempos de adquisición cortos. Si bien el enfoque es conocido por sus fortalezas dentro de la región espectral infrarroja (IR), la región espectral UV sigue estando poco explorada debido a la falta de fuentes de peine de frecuencia directa.
Pero la región espectral UV "es extremadamente importante y nuestro dispositivo permite acceder no sólo a información de rotación y vibración de muestras moleculares, sino también a excitar transiciones electrónicas", afirma Bernhardt. "Estos son los desencadenantes de diversas reacciones fotoquímicas que son muy relevantes para la fotoquímica dentro de nuestra atmósfera".
Dos peines de frecuencia láser
La espectroscopia de doble-peine combina dos peines de frecuencia láser con tasas de repetición ligeramente diferentes y, cuando estos trenes de pulsos interfieren,-convierte las altas frecuencias ópticas de manera eficiente en el dominio de radiofrecuencia directamente accesible.
"También podemos medir las propiedades ópticas-absorción o dispersión-de las muestras bajo escrutinio mediante un simple fotodiodo", afirma Bernhardt. "Esta técnica ahora se explota dentro de la región ultravioleta triplicando la frecuencia de la salida de infrarrojos de un láser compacto de peine único-de doble-cavidad".
Gracias al principio de doble-peine, su espectrómetro alcanza poderes de resolución de un millón en tiempos de medición de menos-segundos. "Es una combinación única que no se puede lograr con los espectrómetros de rejilla o monocromadores convencionales", afirma Bernhardt.
Main benefits of the group's design changes? Broad spectral coverage of >10 THz, tiempos de adquisición cortos (medio segundo), alto poder de resolución de 1.000.000, alta sensibilidad (secciones transversales de absorción tan bajas como 10-22centímetro2/molécula) y alta precisión-todo dentro de la región espectral UV poco explorada.
"Nuestra configuración es móvil y no requiere ningún equipo electrónico de estabilización complicado", señala Bernhardt. "Nuestro proyecto anterior incluía un bastidor electrónico adicional. Simplificándolo, el espectrómetro está en camino de ser fácil de usar-y no sólo para los expertos en espectroscopia".
Precisión del espectrómetro de doble peine-UV sin precedentes
El espectrómetro móvil de peine dual-UV del grupo permitió a los investigadores medir con precisión los patrones de absorción de luz ultravioleta del formaldehído (un contaminante atmosférico y un compuesto orgánico volátil). Estas mediciones fueron tan precisas que "detectamos una multitud de resonancias de formaldehído nunca antes observadas experimentalmente", dice Bernhardt. "¡Fue un gran momento!"
De hecho, sus mediciones revelaron que las constantes de rotación del formaldehído en los libros de texto de física desde la década de 1960 son inexactas. En colaboración con la división de Física Molecular y Atómica de Harvard y Smithsonian del Centro de Astrofísica en EE. UU., Bernhardt y su grupo corrigieron los valores de este parámetro específico de molécula-fundamental hasta en un 15%.
El profesor Rolf Breinbauer y su grupo del Instituto de Química Orgánica de TU Graz contribuyeron a este trabajo proporcionando formaldehído de alta-pureza.
Crédito: Wolf/TU Graz
Los investigadores en el laboratorio con el espectrómetro de peine dual-UV móvil-(de izquierda a derecha) Rolf Breinbauer, Birgitta Bernhardt, Clemens Hoffman y Mithun Pal.
Siguiente: ¿Aún más compacto y estable?
Dondequiera que las firmas espectrales puedan ser de interés, existen aplicaciones para un espectrómetro de peine dual{0}}UV móvil. Se puede utilizar para espectroscopia fundamental (para explorar propiedades ópticas fundamentales de cualquier especie), mediciones de la calidad del aire (química atmosférica de contaminantes), biodetección e incluso para análisis médicos del aliento.
Claramente, mejorar la precisión de las mediciones de la calidad del aire se destaca por su potencial para ayudar a desmitificar la contaminación del aire atmosférico y su impacto en la Tierra.
"En mi grupo Coherent Sensing de la TU Graz, nuestro espectrómetro siempre está en funcionamiento", afirma Bernhardt. "Dado que hay muchas especies por estudiar, estamos explorando formas de hacer que el instrumento sea aún más compacto para realizar campañas de campo de mediciones de la calidad del aire con él".
