Применение квантово-каскадных лазеров в абсорбционной спектроскопии

Дата публикации: 01.07.2020 22:00

Введение

Спектроскопические методы, основанные на использовании лазерных источников, имеют большой потенциал для выявления и мониторинга компонентов в газовой фазе. Высокая чувствительность и селективность лазера позволяет использовать их для количественной оценки атомов и молекул в образце. Квантово-каскадные лазеры, излучающие в области среднего ИК диапазона, обеспечивают высокое разрешение и позволяют идентифицировать спектр молекул в газовых образцах и в парах воды.

В настоящей стате рассматривает демонстрация работы лазерного спектрометра для исследования содержания этанола в образце. Соединение необходимо исследовать с помощью системы абсорбционной спектроскопии на основе квантово-каскадного лазера iCW-QCLAS. Компактная аппаратура может использоваться в качестве альтернативы существующих подходов к исследованию газообразных соединений, среди которых анализаторы «черного ящика» или газовые смеси в бутылках. Подход к анализу этанола с использованием квантово-каскадных лазеров можно экстраполировать для анализа других органических молекул в широком спектре приложений.

Экспериментальная установка

Рисунок 1. Схема системы для измерения этанола (без крышки); красная линия представляет путь инфракрасного лазерного пучка. Корпус под оптической платформой содержит все электронное оборудование. Размеры системы с крышкой составляют 33 х 30 х 63 см.

На рисунке 1 показана экспериментальная установка, использованная для анализа содержания молекул этанола в образце. Оптический модуль установлен на виброизолирующей платформе 0.3 х 0.6 м и электронные компоненты вынесены под платформу для удобства. Большой выбор виброизолирующих платформ предлагает компании ТМС и Standa.

В качестве источника среднего ИК излучения с распределенной обратной связью был выбран лазер Alpes Lasers, излучающий на длине волны 9.3 мкм. Лазерный пучок формируется в объективе 12.7 мм, на линзы которого нанесены антибликовые покрытия. Объектив был установлен в XYZ-транслятор для удобного перемещения и юстировки объектива вдоль осей. Аберрации минимизировались с использованием астигматической ячейки широкого диапазона AMAC-36 от Aerodyne Research. Излучение источника фокусировалось на приемнике с системой охлаждения (PVMI-4TE-10.6 от производителя Vigo System). Качественная направляющая оптика эффективно преломляла и отражала электромагнитную волну. Дополнительно использовался твердотельный эталон из германия в свободном спектральном диапазоне 0.049 см^-1 (не показан на схеме) для перестраивания диапазона. Оптический модуль для лучшей стабилизации системы можно оснастить элементом охлаждения Пельтье. Продувание оптики сухим азотом позволило избежать поглощения, возникающего из-за насыщения воздушной среды водой. Давление и температура контролировались высокоточным термистором (10 кОм, BetaTHERM Sensors) и манометром (MKS Instruments).

Результаты

Рисунок 2. Генерация опорного спектра этанола в высоком разрешении. Обработка сигнала осуществлялась в четыре этапа: 1) генерация базовой линии при нулевом поглощении; 2) спектр пропускания этанола; 3) спектральные полосы при относительной настройке лазера; 4) колебательно-вращательный спектр пропускания воды, обозначенный * при абсолютной калибровке волнового числа.

Эти образцы спектров были получены при процедуре аппроксимации методом наименьших квадратов Левенберга-Маркардта, также была минимизирована суммарная погрешность между экспериментальными и справочными данными. Этот аналитический подход применим к статистике любых микроансамблей.

3-555

Рисунок 3. Спектр пропускания этанола с высоким разрешением (черный) в синтетическом воздухе. Используется квантово-каскадный лазер с распределенной обратной связью при давлении 100 гПа и комнатной температуре. Отмечено достаточно точное совпадение спектров при аппроксимации.

Лазерная спектроскопия хорошо известна как высокоселективный метод, но точное измерение миллионных долей этанола в газовой матрице, содержащей несколько процентов H₂O, остается, однако, очень сложной задачей из-за возникающих шумов и переналожений спектра. В этом опыте неточность оценивается в 0.7 - 1% отн. ед.

Выводы

Была продемонстрирована эффективность применения квантово-каскадного лазера для точных измерений органических соединений с широкими спектрами поглощения. Это противоречит частому предположению о том, что только широкий спектральный охват позволяет избирательно измерять газообразные органические вещества, и, таким образом, это может привести к изменению парадигмы в измерении газа. Дальнейшие разработки в этой области, вероятно, найдут распространение в медицине, включая анализ дыхания методом QCLAS в среднем ИК диапазоне.

©Alpes Lasers

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции Alpes Lasers на территории РФ

Теги лазерная спектроскопия средний ик диапазон alpes lasers квантово-каскадные лазеры

Новые статьи

Характеристика свойств субхондральной кости человека с помощью спектроскопии в ближней инфракрасной области (БИК)

Дегенеративные заболевания суставов часто характеризуются изменениями свойств суставного хряща и субхондральной кости. Эти изменения часто связаны с толщиной субхондральной пластинки и морфологией трабекулярной кости. Таким образом, оценка целостности субхондральной кости может дать важные сведения для диагностики патологий суставов. В данном исследовании изучается потенциал оптической спектроскопии для характеристики свойств субхондральной кости человека. Образцы остеохондральной кости (n = 50 – количество образцов) были извлечены из коленного сустава трупа человека (n = 13) в четырех анатомических точках и подвергнуты БИК-спектроскопии(в ближней инфракрасной области). Затем образцы были исследованы с помощью микрокомпьютерной томографии для определения морфометрических характеристик субхондральной кости, включая: толщину пластинки (Sb.Th), толщину трабекул (Tb.Th), объемную долю (BV/TV) и индекс модели структуры (SMI). Связь между свойствами субхондральной кости и спектральными данными в 1-м (650 - 950 нм), 2-м (1100 - 1350 нм) и 3-м (1600-1870 нм) оптических окнах была исследована с помощью многомерного метода частичных наименьших квадратов (PLS) регрессии. Значимые корреляции (p < 0.0001) и относительно низкие ошибки прогнозирования были получены между спектральными данными в 1-м оптическом окне и Sb.Th (R²= 92.3%, ошибка = 7.1%), Tb.Th (R²= 88.4%, ошибка = 6.7%), BV/TV (R²= 83%, ошибка = 9.8%) и SMI (R²= 79.7%, ошибка = 10.8%). Таким образом, БИК-спектроскопия в 1-м тканевом оптическом окне способна характеризовать и оценивать свойства субхондральной кости и потенциально может быть адаптирована во время артроскопии.

Моделирование нервного волокна на основе оптического волновода

Миелинизированные аксоны являются многообещающими кандидатами для передачи нервных сигналов и света ввиду их волноводных структур. С другой стороны, с появлением таких заболеваний, как рассеянный склероз и нарушений формирования и передачи нервных сигналов из-за демиелинизации, понимание свойств миелинизированного аксона как волновода приобретает большую важность. Настоящее исследование направлено на то, чтобы показать, что профиль показателя преломления (ПП) миелинизированного аксона играет существенную роль в передаче лучей в нем.

Оптимизация обнаружения сверхслабых световых потоков

В ходе исследования, описанного в данной статье, были объединены статистическая модель, анализ шумов детектора и эксперименты по калибровке. Согласно результатам, видимый свет может быть обнаружен с помощью ПЗС камеры с электронным умножителем с соотношением сигнал/шум, равным 3, для потоков с количеством фотонов менее 30 фотонов с⁻¹ см⁻².

Диагностика импульсного плазменного потока

Импульсные плазменные потоки в плазменных ускорителях широко используются для решения ряда научных и практических задач. Особый интерес среди применений импульсных плазменных потоков представляют термоядерный синтез и астрофизические исследования, например, экспериментальное исследование взаимодействия импульсного плазменного потока с материалами.

Полные высокопроизводительные настольные системы сканирования HSI PUSH-BROOM

Применение гиперспектральной визуализации заметно расширилось за последние годы. Тем не менее, остается общая проблема, а именно: предоставление полного интегрированного решения для фиксации 2-D гиперспектральных изображений в компактном настольном формате, которое предоставляет подробную спектральную информацию для определения компонентов, количества и их распределения в плоскости сканирования.

Автофлуоресцентная микроскопия — идентификация бактериальных сигналов на образцах горных пород

Распространенным методом обнаружения микробов в жидких и нежидких образцах является окрашивание флуоресцентными красителями, при котором образцы окрашиваются флуорофором, возбуждаемым фотонами от источника света. Флуорофоры — это молекулы, которые проявляют флуоресценцию, и могут быть биомолекулами естественного происхождения (в этом случае флуоресценция называется автофлуоресценцией), флуоресцентными красителями (синтезированными молекулами) или минералами. Конкретные применения красителей включают обнаружение и перечисление бактерий, визуализацию экспрессии генов и обнаружение биомолекул, которые иначе невозможно было бы отследить.