Los investigadores han desarrollado un nuevo método para detectar e identificar rápidamente concentraciones muy bajas de gases. El nuevo enfoque, 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 diversas 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, nuestro método no se limita a gases específicos y no requiere conocimiento previo del gas que contiene”.
i ÓpticoEn el Journal for High-Impact Research del Optica Publishing Group, los investigadores informan que adquirieron 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 monitorear el clima detectando gases de efecto invernadero como el metano, que contribuye poderosamente al cambio climático”, dijo Angstenberger. “También tiene potenciales aplicaciones en plantas de producción química para la detección temprana del cáncer mediante análisis del aliento y para la detección y control de emisiones de gases tóxicos o inflamables”.
Agregar controles integrados
La espectroscopia identifica sustancias químicas, incluidos los gases, analizando sus características únicas de absorción de luz, como 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 muy rápida que fue desarrollado recientemente por colegas de la filial Stuttgart Instruments GmbH de la universidad. También aprovecharon la espectroscopia fotoacústica mejorada con cuarzo (QEPAS) como método de detección sensible. Este enfoque de espectroscopia utiliza un diapasón de cuarzo para detectar la absorción de gas midiendo electrónicamente su vibración a una frecuencia resonante de 12.420 Hz, excitada 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.
“Si bien el factor de alta calidad del diapasón, que hace que suene durante mucho tiempo, nos permite a los científicos detectar concentraciones bajas mediante mejora resonante, limita la velocidad de detección”, explica Angstenberger. “Eso se debe a que cuando cambiamos la longitud de onda para obtener una huella digital de la molécula, la bifurcación todavía se está moviendo. Para medir la siguiente característica, tenemos que detener el movimiento de alguna manera”.
Para superar este problema, los investigadores desarrollaron un truco llamado control integrado. Esto implica cambiar la sincronización de los pulsos exactamente la mitad del ciclo de oscilación de la horquilla mientras se mantiene la potencia de salida del láser en la misma frecuencia. Esto hace que el pulso láser alcance el gas entre las horquillas a medida que las horquillas se mueven hacia adentro. Este truco amortigua la oscilación de la horquilla porque a medida que el gas se calienta y se expande, actuará en contra del movimiento de la horquilla. Después de algunos destellos de luz láser (durante unos cientos de microsegundos), la horquilla deja de vibrar y se puede tomar la siguiente medición.
Identificación rápida de gases
“Agregar control integrado a QEPAS permite una identificación muy rápida de gases utilizando sus huellas dactilares vibratorias y rotacionales”, dijo Angstenberger. “A diferencia de las configuraciones convencionales 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 permite detectar 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 que contiene 100 partes por millón de metano en la celda de gas. Demostraron que con QEPAS normal, un escaneo demasiado rápido difumina la huella digital espectral, pero con mecanismos de control integrados, permanece clara y sin cambios.
Como siguiente paso, los investigadores planean explorar los límites de la nueva tecnología para determinar su velocidad óptima y su concentración de detección más baja. También quieren utilizarlo para detectar, idealmente, varios gases al mismo tiempo.
