Alcuni anni fa, la professoressa Birgitta Bernhardt e il suo gruppo presso l'Istituto di fisica sperimentale dell'Università di Tecnologia di Graz (TU Graz) in Austria hanno progettato il primo spettrometro UV a doppio-comb a banda larga al mondo per rilevare e misurare gli inquinanti atmosferici (gas) in tempo reale. E ora hanno creato una versione mobile compatta (guarda il video)-ancor più sensibile e accurata-per catturare le impronte molecolari degli inquinanti atmosferici ad alta risoluzione spettrale (1 GHz), ampia larghezza di banda (12 THz) e acquisizione inferiore al-secondo entro un raggio di 2,5 chilometri (1,55 miglia).
La spettroscopia a doppio-comb combina un'elevata risoluzione spettrale, un'ampia copertura spettrale e tempi di acquisizione brevi. Sebbene l’approccio sia noto per i suoi punti di forza nella regione spettrale dell’infrarosso (IR), la regione spettrale UV rimane alquanto sottoesplorata a causa della mancanza di sorgenti dirette di pettini di frequenza.
Ma la regione spettrale UV "è estremamente importante e il nostro dispositivo consente di accedere non solo alle informazioni rotazionali e vibrazionali dei campioni molecolari, ma anche di eccitare le transizioni elettroniche", afferma Bernhardt. "Questi sono i fattori scatenanti di varie reazioni fotochimiche che sono molto rilevanti per la fotochimica all'interno della nostra atmosfera."
Due pettini di frequenza laser
La spettroscopia a doppio-comb combina due pettini di frequenza laser con velocità di ripetizione leggermente diverse e, quando questi treni di impulsi interferiscono, effettua una down-conversione efficiente delle frequenze ottiche elevate nel dominio delle radiofrequenze direttamente accessibile.
"Possiamo anche misurare le proprietà ottiche-assorbimento o dispersione-dei campioni esaminati tramite un semplice fotodiodo", afferma Bernhardt. "Questa tecnica viene ora sfruttata nella regione UV triplicando la frequenza dell'uscita IR di un laser compatto a-cavità doppia-a pettine doppio."
Grazie al principio del doppio-comb, il loro spettrometro raggiunge poteri di risoluzione di un milione in tempi di misurazione inferiori al-secondo. "È una combinazione unica che non è possibile ottenere con gli spettrometri a reticolo o i monocromatori convenzionali", afferma Bernhardt.
Main benefits of the group's design changes? Broad spectral coverage of >10 THz, tempi di acquisizione brevi (mezzo secondo), elevato potere risolutivo di 1.000.000, elevata sensibilità (sezioni d'urto di assorbimento fino a 10-22cm2/molecule) e ad alta precisione-tutti all'interno della regione spettrale UV poco esplorata.
"La nostra configurazione è mobile e non richiede complicate apparecchiature elettroniche di stabilizzazione", sottolinea Bernhardt. "Il nostro progetto precedente prevedeva un rack elettronico aggiuntivo. Semplificandolo, lo spettrometro sta diventando facile da usare-e non solo da parte degli esperti di spettroscopia."
Precisione dello spettrometro UV a doppio-pettine senza precedenti
Lo spettrometro UV mobile a doppio-pettine del gruppo ha consentito ai ricercatori di misurare con precisione i modelli di assorbimento della luce UV della formaldeide (un inquinante atmosferico e un composto organico volatile). Queste misurazioni erano così precise che "abbiamo rilevato una moltitudine di risonanze della formaldeide mai osservate sperimentalmente prima", afferma Bernhardt. "È stato un grande momento!"
In effetti, le loro misurazioni hanno rivelato che le costanti rotazionali della formaldeide nei libri di testo di fisica a partire dagli anni ’60 sono imprecise. Collaborando con la divisione Atomica e Fisica Molecolare del Center for Astrofisica negli Stati Uniti, Bernhardt e il suo gruppo hanno corretto i valori di questo parametro specifico della molecola fondamentale-fino al 15%.
Il professor Rolf Breinbauer e il suo gruppo presso l'Istituto di chimica organica della TU Graz hanno contribuito a questo lavoro fornendo formaldeide di elevata-purezza.
Credito: Lupo/TU Graz
I ricercatori in laboratorio con lo -spettrometro UV mobile a doppio pettine-(da sinistra a destra) Rolf Breinbauer, Birgitta Bernhardt, Clemens Hoffman e Mithun Pal.
Prossimo: ancora più compatto e stabile?
Ovunque le firme spettrali possano essere interessanti, esistono applicazioni per uno spettrometro UV mobile a doppio-comb. Può essere utilizzato per la spettroscopia fondamentale (per esplorare le proprietà ottiche fondamentali di qualsiasi specie), misurazioni della qualità dell'aria (chimica atmosferica degli inquinanti), biosensing e persino per l'analisi medica dell'espirato.
Chiaramente, il miglioramento della precisione delle misurazioni della qualità dell’aria si distingue per il suo potenziale nel contribuire a demistificare l’inquinamento atmosferico e il suo impatto sulla Terra.
"Il nostro spettrometro è sempre in funzione nel mio gruppo di rilevamento coerente alla TU Graz", afferma Bernhardt. "Poiché ci sono molte specie da studiare, stiamo esplorando modi per rendere lo strumento ancora più compatto per effettuare campagne sul campo di misurazioni della qualità dell'aria."
