Fotoakustinen Fourier-muunnosspektroskopia laajakaistaisilla valonlähteillä

Abstract

Toisin kuin perinteisessä absorptiospektroskopiassa, fotoakustisessa spektroskopiassa mitataan suoraan aineeseen absorboituneen valon määrää jaksollisen termisen purkautumisen ja akustisen aallon muodostumisen kautta. Tämän johdosta tekniikka on erittäin herkkä ja mahdollistaa pienen näytetilavuuden. Nämä ominaisuudet voidaan yhdistää laajakaistaiseen kaasuanalyysiin hyödyntämällä Fourier-muunnosspektroskopiaa. Toistaiseksi menetelmän valonlähteenä on käytetty infrapunasäteilijöitä, joiden spektrinen tehotiheys on usein heikko. Kun paineilmaisimena käytetään läppämikrofonia, fotoakustinen signaali riippuu lineaarisesti valonlähteen tehosta laajalla alueella. Tällöin valonlähteen tehon kasvattaminen mahdollistaa yksinkertaisen tavan laitteiston herkkyyden parantamiseksi.

Tässä työssä demonstroitiin fotoakustista Fourier-muunnosspektroskopiaa käyttämällä valonlähteinä superjatkumoa ja taajuuskampaa erillisissä mittalaitteistoissa. Superjatkumo ja taajuuskampa ovat valonlähteitä, joissa yhdistyvät laajakaistaisuus, kirkkaus ja korkea paikkakoherenssi. Superjatkumolla mitattiin vesihöyryn ja metaanin rotaatio-vibraatiovyöt aallonpituuksilla 1,9 µm ja 3,3 µm käyttäen eri superjatkumoa kullekin aineelle. Vertailun vuoksi kyseiset spektrit mitattiin samalla laitteella myös infrapunasäteilijää käyttäen. Taajuuskammalla mitattiin vastaava metaanin absorptiospektri 3,3 µm:n aallonpituudella.

Superjatkumoilla saavutettiin 19- ja 74-kertaiset signaalin intensiteetit metaanille ja vesihöyrylle verrattuna infrapunasäteilijään. Vesihöyryn ja metaanin havaintorajoiksi (3σ, 50 s) saatiin 157 ppm ja 1,4 ppm, jotka olivat järjestyksessä 14 ja 1,8 kertaa pienempiä verrattuna infrapunasäteilijällä saavutettuihin arvoihin. Taajuuskammalla puolestaan saavutettiin metaanin havaintoraja 2,4 ppm (3σ, 200 s) erittäin hyvällä resoluutiolla 0,033 cm−1 suuremman interferometrin ansiosta. Laitteisto mahdollistaa siten korkean selektiivisyyden, vaikka superjatkumolaitteistossa käytetty resoluutio 1 cm−1 onkin useissa sovelluskohteissa riittävä yhdistettynä kompaktiin laitteistoon.

Molemmilla laitteistoilla saavutettiin herkkä ja selektiivinen monikomponenttikaasuanalyysi pienen tilavuuden näytteistä. Superjatkumolaitteiston herkkyyttä heikensi pääasiassa superjatkumon epästabiilius ja taajuuskampalaitteistossa mittauksen hyvä resoluutio. Työssä esitetyllä tekniikalla on potentiaalia parantua valonlähteiden kehittyessä ja lähteiden ominaisuuksia paremmin hyödyntämällä. Esimerkiksi superjatkumon ja taajuuskamman korkea paikkakoherenssi mahdollistaa moniläpäisykammion tehokkaan käytön tulevaisuudessa sekä resoluution kasvattamisen pienikokoisella interferometrillä. Laajakaistaiselle ja herkälle mittalaitteistolle on sovelluskohteita muun muassa teollisuuden päästökontrolloinnissa, rajavalvonnassa sekä ilmakehä- ja huoneilma-analyysissä.