Los investigadores han desarrollado un nuevo método para detectar y detectar rápidamente concentraciones muy bajas de gases. El nuevo método, llamado espectroscopia fotoacústica mejorada con cuarzo controlada coherentemente, podría formar la base de sensores en tiempo real altamente sensibles para aplicaciones como monitoreo ambiental, análisis del aliento y control de procesos químicos.
“La mayoría de los gases están presentes en pequeñas cantidades, por lo que detectar gases en bajas concentraciones es importante en una amplia variedad de industrias y aplicaciones”, dijo el líder del equipo de investigación Simon Angstenberger de la Universidad de Stuttgart en Alemania. “A diferencia de otros métodos de detección de gases traza que se basan en la fotoacústica, el nuestro no se limita a gases específicos y no requiere conocimiento previo de los gases que pueden estar presentes”.
En ópticoEn la revista de investigación de alto impacto del Optica Publishing Group, los investigadores informan de la adquisición de un espectro completo de metano que abarca de 3050 a 3450 nanómetros en sólo tres segundos, una hazaña que normalmente tomaría unos 30 minutos.
“Esta nueva tecnología se puede utilizar para el seguimiento del clima mediante la detección de gases de efecto invernadero como el metano, que contribuyen en gran medida al cambio climático”, afirmó Angstenberger. “Tiene aplicaciones potenciales en plantas de fabricación de productos químicos para la detección temprana del cáncer mediante el análisis del aliento y la detección de fugas de gases tóxicos o inflamables y el control de procesos”.
Agregar controles de coherencia
La espectroscopia identifica sustancias químicas con gases analizando sus características únicas de absorción de luz, similar a una “huella digital” para cada gas. Sin embargo, la detección rápida de bajas concentraciones de gas requiere no sólo un láser que pueda sintonizarse rápidamente, sino también un mecanismo de detección altamente sensible y un control electrónico preciso de la sincronización del láser.
En el nuevo trabajo, los investigadores utilizaron un láser con una longitud de onda sintonizable extremadamente rápida que fue desarrollado recientemente por colaboradores de la filial Stuttgart Instruments GmbH de la universidad. Utilizaron espectroscopia fotoacústica mejorada con cuarzo (QEPAS) como mecanismo de detección sensible. Este método de espectroscopia utiliza un diapasón de cuarzo para detectar la absorción de gas midiendo electrónicamente su vibración a una frecuencia de resonancia de 12.420 Hz inducida por un láser modulado a la misma frecuencia. El láser calienta el gas entre las horquillas en pulsos rápidos, haciendo que se muevan y generen un voltaje piezoeléctrico detectable.
“Aunque el factor de alta calidad del diapasón, que suena durante mucho tiempo, nos permite detectar concentraciones bajas mediante lo que los científicos llaman mejora resonante, esto limita la velocidad de adquisición”, explicó Angstenberger. “Esto se debe a que cuando cambiamos la longitud de onda para obtener la huella digital de la molécula, la bifurcación todavía se está moviendo. Para medir la siguiente propiedad, debemos detener de alguna manera el movimiento”.
Para superar este problema, los investigadores desarrollaron una técnica llamada control coherente. Con esto, la sincronización del pulso se desplaza exactamente la mitad del ciclo de oscilación de la horquilla mientras la potencia de salida del láser está en la misma frecuencia. Esto hace que el pulso láser alcance el gas dentro de la horquilla a medida que sus puntas se mueven hacia adentro. Esta técnica amortigua la oscilación de las horquillas porque a medida que el gas se calienta y se expande, actuará contra el movimiento de las puntas. Después de algunos destellos de luz láser (durante unos cientos de microsegundos), la horquilla deja de vibrar y se puede tomar la siguiente medición.
Detección rápida de gases
“Agregar un control coherente al QEPAS permite la detección ultrarrápida de gases utilizando sus huellas dactilares vibratorias y rotacionales”, dice Angstenberger. “A diferencia de las configuraciones tradicionales limitadas a gases específicos o picos de absorción únicos, podemos lograr un monitoreo en tiempo real con un amplio rango de sintonización láser de 1,3 a 18 µm, lo que hace posible detectar prácticamente cualquier gas traza”.
Los investigadores probaron el nuevo método utilizando un láser fabricado por Stuttgart Instruments y una celda de gas QEPAS disponible comercialmente para analizar una mezcla de metano precalibrada con 100 partes por millón de metano en la celda de gas. Demostraron que con QEPAS normal, el escaneo demasiado rápido oscurece la huella digital espectral, pero con métodos de control coherentes, permanece clara y sin cambios.
Como siguiente paso, los investigadores planean explorar las limitaciones de la nueva tecnología para determinar su velocidad máxima y densidad mínima de sensores. Idealmente, quieren usarlo para detectar múltiples gases al mismo tiempo.