Há alguns anos, a professora Birgitta Bernhardt e seu grupo do Instituto de Física Experimental da Universidade de Tecnologia de Graz (TU Graz), na Áustria, projetaram o primeiro espectrômetro de pente duplo UV de banda larga do mundo para detectar e medir poluentes atmosféricos (gases) em tempo real. E agora eles criaram uma versão móvel compacta (veja o vídeo)-ainda mais sensível e precisa-para capturar impressões digitais moleculares de poluentes atmosféricos em alta resolução espectral (1 GHz), largura de banda ampla (12 THz) e aquisição em segundos-em um alcance de 2,5 quilômetros (1,55 milhas).
A espectroscopia de pente duplo combina alta resolução espectral, ampla cobertura espectral e tempos de aquisição curtos. Embora a abordagem seja conhecida por seus pontos fortes na região espectral do infravermelho (IR), a região espectral do UV permanece um tanto subexplorada devido à falta de fontes diretas de pente de frequência.
Mas a região espectral UV “é extremamente importante, e nosso dispositivo permite acessar não apenas informações rotacionais e vibracionais de amostras moleculares, mas também excitar transições eletrônicas”, diz Bernhardt. "Esses são os gatilhos para várias reações fotoquímicas que são altamente relevantes para a fotoquímica em nossa atmosfera."
Dois pentes de frequência laser
A espectroscopia de{0}comb duplo combina dois pentes de frequência de laser com taxas de repetição ligeiramente diferentes e, quando esses trens de pulso interferem,-converte altas frequências ópticas de forma eficiente no domínio de radiofrequência diretamente acessível.
"Também podemos medir as propriedades ópticas de -absorção ou dispersão-das amostras examinadas por meio de um simples fotodiodo", diz Bernhardt. "Essa técnica agora é explorada na região UV, triplicando a frequência da saída IR de um laser compacto de pente duplo-de cavidade-única."
Graças ao princípio do pente duplo, o espectrômetro alcança potências de resolução de um milhão em tempos de medição inferiores a{1}}segundos. “É uma combinação única que você não consegue alcançar com espectrômetros de grade convencionais ou monocromadores”, diz Bernhardt.
Main benefits of the group's design changes? Broad spectral coverage of >10 THz, tempos de aquisição curtos (meio segundo), alto poder de resolução de 1.000.000, alta sensibilidade (seções transversais de absorção tão baixas quanto 10-22cm2/molécula) e alta precisão-tudo dentro da região espectral UV pouco explorada.
“Nossa configuração é móvel e não requer nenhum equipamento eletrônico complicado de estabilização”, ressalta Bernhardt. "Nosso projeto anterior incluía um rack eletrônico extra. Ao simplificá-lo, o espectrômetro está a caminho de se tornar fácil de usar-e não apenas por especialistas em espectroscopia."
Precisão inédita do espectrômetro de pente duplo-UV
O espectrômetro de pente duplo UV móvel do grupo permitiu que os pesquisadores medissem com precisão os padrões de absorção de luz UV do formaldeído (um poluente atmosférico e composto orgânico volátil). Essas medições foram tão precisas que “detectamos uma infinidade de ressonâncias de formaldeído nunca antes observadas experimentalmente”, diz Bernhardt. "Foi um grande momento!"
Na verdade, as suas medições revelaram que as constantes rotacionais do formaldeído nos livros de física desde a década de 1960 são imprecisas. Colaborando com a divisão Harvard & Smithsonian Atomics and Molecular Physics do Center for Astrophysics nos EUA, Bernhardt e seu grupo corrigiram os valores desse parâmetro específico -da molécula fundamental em até 15%.
O professor Rolf Breinbauer e seu grupo do Instituto de Química Orgânica da TU Graz contribuíram para este trabalho fornecendo formaldeído de alta-pureza.
Crédito: Wolf/TU Graz
Os pesquisadores no laboratório com o espectrômetro de pente duplo-UV móvel-(da esquerda para a direita) Rolf Breinbauer, Birgitta Bernhardt, Clemens Hoffman e Mithun Pal.
Próximo: Ainda mais compacto e estável?
Onde quer que as assinaturas espectrais possam ser de interesse, existem aplicações para um espectrômetro de pente duplo UV móvel. Ele pode ser usado para espectroscopia fundamental (para explorar propriedades ópticas fundamentais de qualquer espécie), medições de qualidade do ar (química atmosférica de poluentes), biossensor e até mesmo para análise médica do hálito.
Claramente, melhorar a precisão das medições da qualidade do ar destaca-se pelo seu potencial para ajudar a desmistificar a poluição atmosférica e o seu impacto na Terra.
“Nosso espectrômetro está sempre em operação no meu grupo Coherent Sensing na TU Graz”, diz Bernhardt. “Como há muitas espécies a serem estudadas, estamos explorando maneiras de tornar o instrumento ainda mais compacto para fazer campanhas de campo de medições da qualidade do ar com ele”.
