Los investigadores han desarrollado una nueva forma de operar láseres de cascada cuántica en miniatura (QCL) para medir rápidamente los espectros de absorción de diferentes moléculas orgánicas en el aire simultáneamente. La técnica ofrece un método sensible para detectar concentraciones bajas de compuestos orgánicos volátiles (COV), mejorar la capacidad de rastrear cómo estos compuestos afectan la salud humana, procesos industriales y calidad del aire ambiente. El nuevo sistema también podría mejorar la confiabilidad de las pruebas de alcohol en el aliento al distinguir de manera más selectiva entre el etanol y los otros gases que exhala la gente.

Los QCL están hechos de múltiples capas de semiconductores dispuestos para aumentar las emisiones de fotones aprovechando los efectos cuánticos. Los investigadores diseñaron una configuración basada en QCL que mide los compuestos que absorben la radiación electromagnética en un amplio espectro con un solo láser. una tarea que anteriormente hubiera requerido que varios láseres trabajaran juntos.

Los COV se encuentran comúnmente en los gases de escape de los vehículos, solventes, materiales de construcción y muchos otros productos. Pueden ser dañinos para las personas y los ecosistemas, y contribuyen a la producción de ozono troposférico y al calentamiento global. Los métodos en tiempo real para identificar y rastrear los COV son importantes para los investigadores de la contaminación y el clima, organizaciones de salud pública, fabricantes, socorristas y expedidores, entre otros.

El nuevo sistema basado en un láser infrarrojo eléctricamente sintonizable sin partes mecánicas, proporciona suficiente precisión y escanea un rango suficientemente amplio de frecuencias ópticas para identificar simultáneamente varias especies que están presentes y determinar sus concentraciones. Los investigadores con sede en Suiza, dirigido por Lukas Emmenegger de Empa, un instituto de ciencia y tecnología de los materiales, describirá su método novedoso en el Congreso de Sensores y Sensores Ópticos de la Sociedad Óptica, que tendrá lugar del 25 al 27 de junio en San José, Calif., durante la Sensors Expo 2019.

Abriendo ventanas estrechas a un amplio espectro

A diferencia de la tarea de detectar un solo compuesto químico, La identificación de las diferentes especies dentro de los COV requiere marcar la salida óptica del QCL en un rango muy amplio de frecuencias. Para lograr esto, los investigadores utilizaron un tipo de QCL relativamente nuevo, optimizado para ser ajustable en un rango de frecuencia de emisión más amplio de lo habitual, conocido como Very Large Tuning QCL (QC-XT), y alimentó el dispositivo en modo intermitente para maximizar la sintonización óptica y minimizar el consumo de energía del láser.

Luego introdujeron la principal innovación del nuevo enfoque:al calentar el espejo frontal o trasero del láser con pulsos cortos de corriente eléctrica, descubrieron que podían seleccionar el intervalo de frecuencias que produciría el láser mediante el llamado efecto Vernier. Usando este enfoque, la configuración se mueve esencialmente a través de varios canales de observación a lo largo del espectro de absorción de la molécula en el que se pueden medir detalles precisos y compararlos con características espectrales conocidas, ofreciendo una cobertura casi continua en un amplio rango de frecuencias con gran precisión.

"La rápida conmutación entre diferentes canales del QCL ofrece una selectividad y una sensibilidad en tiempo real sin precedentes para la detección de COV, "Dijo Emmenegger.

"Las mediciones de COV de alta precisión están dominadas actualmente por métodos clásicos, como la cromatografía de gases o la espectrometría de masas. La combinación de la alta resolución espectral de las QCL de retroalimentación distribuida bien establecidas con la capacidad multicanal de QC-XT puede convertirse en un cambio de juego en el campo del análisis de VOC. "Agregó Emmenegger.

Detección rápida y sensible

Este enfoque analítico innovador se presta particularmente bien para el reconocimiento rápido de características espectrales de COV ampliamente espaciadas. Para probar el método, el equipo utilizó su nueva configuración para medir simultáneamente los espectros infrarrojos de una mezcla de metanol, etanol y acetaldehído.

La demostración mostró que el método distingue con éxito cada especie molecular de las demás y es rápido y sensible. Una ronda de mediciones a través de seis canales espectrales diferentes tomó un total de 18 milisegundos. Mientras que los canales individuales se escanean con una resolución espectral muy alta en solo 50 microsegundos, la mayor parte del tiempo se dedica a ajustar el calentamiento eléctrico de los componentes del láser para seleccionar la siguiente ubicación del canal a lo largo de los espectros.

El sistema evaluó concentraciones moleculares tan bajas como 50 partes por millón con una precisión de 50 partes por mil millones. Con más trabajo, los investigadores creen que el sistema podría lograr una sensibilidad aún mayor.

Mejorando el análisis de la respiración

Además de estar preparado para una variedad de aplicaciones en la detección de COV ambientales y ocupacionales, el nuevo sistema podría encontrar aplicación en el análisis médico del aliento o para mejorar los estándares empleados actualmente para la medición del contenido de alcohol en el aliento.

En un artículo publicado el 12 de febrero en la revista The Optical Society Óptica Express , el equipo de Empa informa la detección de alcohol en el aire en concentraciones tan bajas como 9 partes por mil millones usando un QCL. Estos resultados sugieren que el uso de espectrómetros basados ​​en láser QCL para el análisis de alcohol en el aliento puede ofrecer una ruta hacia una confiabilidad y estandarización mejoradas a nivel mundial de la prueba forense más frecuente del mundo. dicen los investigadores.