La espectroscopia de absorción basada en láser es un método importante para determinar la concentración de componentes gaseosos en una muestra. Los dispositivos modernos están altamente especializados para detectar gases muy específicos, como gases traza en la atmósfera, gases de escape de combustión y aplicaciones técnicas de plasmas.
Para ello, miden la proporción de luz de una longitud de onda específica que es absorbida o atenuada por una muestra. Esto permite determinar la concentración del gas. La longitud de onda de detección seleccionada depende de qué molécula se va a medir.
Un problema común es que diferentes moléculas pueden absorber la misma luz, incluso en una longitud de onda inteligentemente elegida. "Los espectros de absorción de las diferentes moléculas de gas a veces se superponen de manera muy significativa. Esto significa que si quiero detectar la molécula A, siempre recibo también una intensidad variable de la señal de la molécula B", explica el profesor Gernot Friedrichs del Instituto de Química Física. en la Universidad de Kiel (CAU).
Esta llamada sensibilidad cruzada limita la eficacia del método de medición. Hasta la fecha, este problema se ha eliminado o al menos reducido mediante mediciones adicionales en diferentes longitudes de onda, es decir, la medición de espectros, o los gases perturbadores se separan mediante métodos de cromatografía de gases antes de la medición real.
Friedrichs y su antiguo candidato a doctorado, el Dr. Ibrahim Sadiek, del Instituto Leibniz de Ciencia y Tecnología del Plasma e.V. (INP), Greifswald, han demostrado ahora que existe una solución más sencilla. Han desarrollado un método para superar esta sensibilidad cruzada en la espectroscopia de absorción, incluso cuando las mediciones se realizan solo en una longitud de onda.
El estudio de viabilidad del nuevo método de dos especies y una longitud de onda (2S1W), pendiente de patente, basado en la saturación óptica selectiva, se publicó recientemente en la revista Scientific Reports. .
El nuevo método explota el fenómeno de la saturación óptica en las moléculas. El estado de saturación óptica sólo se produce con intensidades de luz elevadas, que hoy en día pueden generarse con bastante facilidad con láseres. Las moléculas se vuelven entonces "transparentes" para la espectroscopia de absorción, es decir, la luz irradiada ya no se atenúa. El punto en el que la muestra se vuelve transparente es una propiedad del tipo de gas respectivo.
Hasta ahora, la saturación óptica se consideraba una desventaja para las mediciones de absorción y, por lo tanto, se evitaba en la medida de lo posible, ya que distorsiona la medición de la concentración. Sin embargo, Sadiek y Friedrichs han demostrado ahora en su estudio que aprovechar la saturación óptica selectiva puede incluso ayudar a determinar por separado las concentraciones de dos moléculas que interfieren completamente entre sí a una longitud de onda fija.
"Para ello, variamos la intensidad de la luz muy rápidamente y en un amplio rango en una celda de medición especial. Con una intensidad de luz baja, se mide la suma de las absorciones de ambas especies, y con una intensidad de luz alta, una de las moléculas se mide saturado, por lo que sólo detectamos la señal de una especie. En nuestro caso se detectó el cloruro de metilo, ya que el metano ya estaba saturado", destacó Sadiek. "Cuando probamos esto por primera vez, nos fascinó lo bien que funciona para separar las señales de ambas especies de esta manera conceptualmente simple".
Un problema típico en la práctica es, por ejemplo, la detección de hidrocarburos clorados, que se encuentran en concentraciones muy bajas en la atmósfera. "Si se quieren detectar sin separar previamente la mezcla, automáticamente se encuentra con el problema de que los gases traza presentes en concentraciones más altas, como el dióxido de carbono o el metano y, sobre todo, el vapor de agua, es decir, la humedad, interfieren en la medición. Con nuestro Con este método podemos hacer que estos gases perturbadores sean invisibles en el espectro", explicó Friedrichs.
Su grupo está trabajando actualmente en proyectos de investigación marina para desarrollar aún más el método para su uso en espectrómetros de absorción convencionales. El potencial para reducir las sensibilidades cruzadas se demostrará posteriormente mediante mediciones de campo para investigar mejor los procesos de intercambio en la interfaz agua-aire. En principio, el método también es adecuado para la detección simultánea de una gran cantidad de gases traza, siempre que tengan una intensidad de saturación suficientemente diferente.
Más información: Ibrahim Sadiek et al, Detección de dos especies:una longitud de onda basada en espectroscopia de saturación óptica selectiva, Scientific Reports (2023). DOI:10.1038/s41598-023-44195-3
Información de la revista: Informes científicos
Proporcionado por la Universidad de Kiel
