Spektrometer UV Broadband Baru Mengubah Analisis Pencemaran Udara

Sinar matahari memiliki pengaruh besar pada proses kimia. Radiasi UV energi tinggi, khususnya, diserap kuat oleh semua bahan dan memicu reaksi fotokimia dari zat-zat yang ada di udara. Contoh yang terkenal adalah pembentukan ozon di permukaan tanah saat sinar UV mengenai nitrogen oksida.

blank

Sinar matahari memiliki pengaruh besar pada proses kimia. Radiasi UV energi tinggi, khususnya, diserap kuat oleh semua bahan dan memicu reaksi fotokimia dari zat-zat yang ada di udara. Contoh yang terkenal adalah pembentukan ozon di permukaan tanah saat sinar UV mengenai nitrogen oksida.

Tim peneliti yang dipimpin oleh Birgitta Schultze-Bernhardt dari Institute of Experimental Physics di Graz University of Technology (TU Graz) kini memanfaatkan potensi reaksi tinggi ini untuk metode baru pemantauan lingkungan. Tim telah mengembangkan spektrometer UV dual-comb broadband pertama di dunia yang memungkinkan pengukuran terus-menerus polutan udara dan interaksinya dengan lingkungan dalam real time. Sebuah makalah tentang pengembangan ini baru-baru ini dipublikasikan di jurnal Optica.

Spektrometer dual-comb telah ada sejak hampir 20 tahun yang lalu. Di sini, sumber menghasilkan cahaya dalam rentang panjang gelombang, yang, ketika diatur berdasarkan frekuensi optiknya, mirip dengan gigi sikat. Jika cahaya ini menembus sampel material gas, molekul-molekul yang terkandung di dalamnya menyerap sebagian dari cahaya. Panjang gelombang yang berubah memungkinkan kesimpulan tentang bahan-bahan dan sifat optik dari gas yang dianalisis.

Fitur khusus dari spektrometer yang dikembangkan oleh Birgitta Schultze-Bernhardt adalah bahwa sistem laser menghasilkan pulsa cahaya ganda di spektrum ultraviolet. Ketika cahaya UV ini bertemu dengan molekul-molekul gas, ia merangsang molekul-molekul tersebut secara elektronik dan juga menyebabkan mereka berputar dan bergetar—yang disebut transisi rovibronik—yang unik untuk setiap zat gas.

blank
Implementasi eksperimental spektroskopi dual comb di wilayah spektrum ultraviolet. (a) Output dari dua laser frequency comb (osilator laser serat Yb komersial), distabilkan pada frekuensi repetisi 𝑓rep, mengaktifkan dua amplifier serat Yb pemilih pulsa, mengurangi laju repetisi dari pulsa osilator sebanyak delapan kali dan menghasilkan daya rata-rata tingkat Watt pada laju repetisi sekitar 10 MHz. Kedua laser frequency comb dekat-inframerah bertenaga tinggi ini dikonversi frekuensinya melalui generasi harmonik ketiga di kristal nonlinear. Kemudian, cahaya UV diperluas spektrumnya dalam serat silika inti padat. Setelah superposisi spasial, fotodetektor cepat (FPD) merekam interferogram domain waktu dari jalur sampel (S) dan referensi (R). (b) Spektrum laser yang diukur setelah konversi frekuensi terpusat pada 𝑓𝑐=871.2THz dengan FWHM sebesar 2.6 THz dan 3.1 THz. (c) Representasi skematik dari spektrum dual comb setelah transformasi Fourier cepat (FFT). Menghitung FFT dari interferogram filter low-pass (LPF) menghasilkan spektrum transmisi optik yang dikonversi turun di domain frekuensi radio (RF). Kami menghitung faktor konversi turun 𝑚 dengan membagi laju repetisi 𝑓rep,II dengan penyetelan dua frequency comb 𝛿, yang digunakan untuk mengkonversi kembali informasi spektral ke wilayah ultraviolet.

Selain itu, spektrometer UV dual-comb broadband menggabungkan tiga properti yang spektrometer konvensional hanya dapat tawarkan sebagian:

  1. Lebar pita cahaya UV yang dihasilkan, yang berarti bahwa banyak informasi tentang sifat optik sampel gas dapat dikumpulkan dengan satu pengukuran;
  2. Resolusi spektral yang tinggi, yang di masa depan juga akan memungkinkan investigasi campuran gas kompleks seperti atmosfer Bumi kita; dan
  3. Waktu pengukuran singkat saat menganalisis sampel gas.

Ini membuat spektrometer tim cocok untuk pengukuran sensitif di mana perubahan konsentrasi gas dan jalannya reaksi kimia dapat diamati dengan sangat presisi.

Dikembangkan dan diuji menggunakan formaldehida sebagai contoh

Para peneliti mengembangkan dan menguji spektrometer mereka menggunakan formaldehida. Polutan udara ini dihasilkan saat bahan bakar fosil dan kayu dibakar, serta di dalam ruangan melalui uap dari perekat yang digunakan dalam perabotan.

Dengan menggunakan spektrometer, tim mengemisi formaldehida di industri tekstil atau pengolahan kayu serta di kota-kota dengan tingkat kabut asap yang tinggi dapat dimonitor secara real-time, sehingga meningkatkan perlindungan terhadap personel dan lingkungan. Aplikasi spektrometer juga dapat diterapkan pada polutan udara lain seperti nitrogen oksida dan ozon serta gas jejak yang relevan dengan iklim lainnya. Tim peneliti berharap hal ini akan memberikan temuan baru tentang efek mereka di atmosfer. Berdasarkan ini, strategi baru untuk meningkatkan kualitas udara bisa diturunkan.

Referensi:

[1] https://www.tugraz.at/en/tu-graz/services/news-stories/tu-graz-news/singleview/article/neuartiges-uv-breitband-spektrometer-revolutioniert-luftschadstoffanalyse diakses pada 28 Juni 2024

[2] Lukas Fürst, Adrian Kirchner, Alexander Eber, Florian Siegrist, Robert di Vora, Birgitta Bernhardt. Broadband near-ultraviolet dual comb spectroscopyOptica, 2024; 11 (4): 471 DOI: 10.1364/OPTICA.516783

Tinggalkan Komentar

Alamat email Anda tidak akan dipublikasikan. Ruas yang wajib ditandai *