A espectroscopia de absorção baseada em laser é um método importante para determinar a concentração de componentes de gás em uma amostra. Os dispositivos modernos são altamente especializados na detecção de gases muito específicos, como gases residuais na atmosfera, em gases de combustão e em aplicações técnicas de plasmas.



Para isso, medem a proporção de luz de um comprimento de onda específico que é absorvida ou atenuada por uma amostra. Isto permite que a concentração do gás seja determinada. O comprimento de onda de detecção selecionado depende de qual molécula será medida.

Um problema comum é que moléculas diferentes podem absorver a mesma luz – mesmo num comprimento de onda escolhido de forma inteligente. "Os espectros de absorção das diferentes moléculas de gás às vezes se sobrepõem de forma muito significativa. Isso significa que se eu quiser detectar a molécula A, também sempre obtenho um grau variável de sinal forte da molécula B, "explicou o professor Gernot Friedrichs do Instituto de Físico-Química na Universidade de Kiel (CAU).

Esta chamada sensibilidade cruzada limita a eficácia do método de medição. Até à data, este problema foi eliminado ou pelo menos reduzido por medições adicionais em diferentes comprimentos de onda, isto é, a medição de espectros, ou os gases interferentes são separados por meio de métodos de cromatografia gasosa antes da medição real.

Friedrichs e seu ex-candidato ao doutorado, Dr. Ibrahim Sadiek, do Instituto Leibniz de Ciência e Tecnologia de Plasma e.V. (INP), Greifswald, demonstraram agora que existe uma solução mais fácil. Eles desenvolveram um método para superar essa sensibilidade cruzada na espectroscopia de absorção, mesmo quando as medições são realizadas apenas em um comprimento de onda.

O estudo de viabilidade para o novo método com patente pendente de comprimento de onda de duas espécies e um (2S1W) baseado na saturação óptica seletiva foi publicado recentemente na revista Scientific Reports .

Eliminação de sinais interferentes usando saturação óptica

O novo método explora o fenômeno da saturação óptica nas moléculas. O estado de saturação óptica ocorre apenas em altas intensidades de luz, que hoje em dia podem ser geradas facilmente com lasers. As moléculas tornam-se então "transparentes" para espectroscopia de absorção, o que significa que a luz irradiada não é mais atenuada. O ponto em que a amostra se torna transparente é uma propriedade do respectivo tipo de gás.

Até agora, a saturação óptica era considerada desvantajosa para medições de absorção e, portanto, evitada tanto quanto possível, pois distorce a medição de concentração. No entanto, Sadiek e Friedrichs demonstraram agora em seu estudo que tirar vantagem da saturação óptica seletiva pode até ajudar a determinar separadamente as concentrações de duas moléculas que interferem completamente mutuamente em um comprimento de onda fixo.

“Para fazer isso, variamos a intensidade da luz muito rapidamente e em uma ampla faixa em uma célula de medição especial. Em baixa intensidade de luz, a soma das absorções de ambas as espécies é medida, e em alta intensidade de luz, uma das moléculas é medida. saturado. Então detectamos apenas o sinal de uma espécie. No nosso caso, o cloreto de metila foi detectado, pois o metano já estava saturado", enfatizou Sadiek. "Quando tentamos isto pela primeira vez, ficámos fascinados pela forma como funciona realmente separar os sinais de ambas as espécies desta forma conceptualmente simples."

Um problema típico na prática é, por exemplo, a detecção de hidrocarbonetos clorados, que ocorrem em concentrações muito baixas na atmosfera. “Se você quiser detectá-los sem separar previamente a mistura, você automaticamente encontrará o problema de que os gases residuais presentes em concentrações mais altas, como dióxido de carbono ou metano e principalmente vapor de água, ou seja, a umidade, interferem na medição. método, podemos simplesmente tornar esses gases interferentes invisíveis no espectro", explicou Friedrichs.

Seu grupo está atualmente trabalhando em projetos de pesquisa marinha para desenvolver ainda mais o método para uso em espectrômetros de absorção convencionais. O potencial para redução de sensibilidades cruzadas será então demonstrado em medições de campo, a fim de melhor investigar os processos de troca na interface água-ar. Em princípio, o método também é adequado para a detecção simultânea de um grande número de gases traços, desde que tenham uma intensidade de saturação suficientemente diferente.

Mais informações: Ibrahim Sadiek et al, Detecção de duas espécies – um comprimento de onda com base em espectroscopia seletiva de saturação óptica, Relatórios Científicos (2023). DOI:10.1038/s41598-023-44195-3
Informações do diário: Relatórios Científicos

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