Beberapa tahun yang lalu, Profesor Birgitta Bernhardt dan kelompoknya di Institut Fisika Eksperimental Universitas Teknologi Graz (TU Graz) di Austria merancang spektrometer sisir ganda UV pita lebar pertama di dunia untuk mendeteksi dan mengukur polutan udara (gas) secara real-time. Dan sekarang mereka telah membuat versi seluler yang ringkas (lihat video)-bahkan lebih sensitif dan akurat-untuk menangkap sidik jari molekuler polutan udara pada resolusi spektral tinggi (1 GHz), bandwidth lebar (12 THz), dan akuisisi sub-detik dalam rentang 2,5 kilometer (1,55 mil).
Spektroskopi sisir ganda-menggabungkan resolusi spektral tinggi, cakupan spektral luas, dan waktu akuisisi singkat. Meskipun pendekatan ini dikenal karena kekuatannya dalam wilayah spektral inframerah (IR), wilayah spektral UV masih kurang dieksplorasi karena kurangnya sumber sisir frekuensi langsung.
Namun wilayah spektral UV "sangat penting, dan perangkat kami memungkinkan Anda mengakses tidak hanya informasi rotasi dan getaran sampel molekul tetapi juga transisi elektronik," kata Bernhardt. “Ini adalah pemicu berbagai reaksi fotokimia yang sangat relevan dengan fotokimia di atmosfer kita.”
Dua sisir frekuensi laser
Spektroskopi sisir ganda-menggabungkan dua sisir frekuensi laser dengan tingkat pengulangan yang sedikit berbeda, dan ketika rangkaian pulsa ini mengganggunya, spektroskopi tersebut akan mengubah frekuensi optik tinggi secara efisien menjadi domain frekuensi radio yang dapat diakses langsung.
"Kami juga dapat mengukur sifat optik-penyerapan atau dispersi-sampel yang diteliti melalui fotodioda sederhana," kata Bernhardt. "Teknik ini kini dieksploitasi dalam wilayah UV dengan melipatgandakan frekuensi keluaran IR dari laser sisir-rongga ganda-tunggal yang ringkas."
Berkat prinsip-sisir ganda, spektrometernya mencapai kekuatan penyelesaian satu juta dalam waktu pengukuran sub-detik. “Ini adalah kombinasi unik yang tidak dapat dicapai dengan spektrometer kisi konvensional atau monokromator,” kata Bernhardt.
Main benefits of the group's design changes? Broad spectral coverage of >10 THz, waktu akuisisi singkat (setengah detik), daya penyelesaian tinggi 1.000.000, sensitivitas tinggi (penampang serapan serendah 10-22cm2/molekul), dan presisi tinggi-semuanya berada dalam wilayah spektral UV yang belum dieksplorasi.
“Penyiapan kami bersifat mobile dan tidak memerlukan peralatan stabilisasi elektronik yang rumit,” kata Bernhardt. "Proyek kami sebelumnya menyertakan rak elektronik tambahan. Dengan menyederhanakannya, spektrometer kini menjadi mudah digunakan-dan tidak hanya oleh para ahli spektroskopi."
Presisi spektrometer sisir ganda UV yang belum pernah ada sebelumnya
Spektrometer sisir ganda UV seluler milik grup ini memungkinkan para peneliti mengukur secara tepat pola penyerapan sinar UV formaldehida (polutan atmosfer dan senyawa organik yang mudah menguap). Pengukuran ini sangat tepat, "kami mendeteksi banyak resonansi formaldehida yang belum pernah diamati secara eksperimental sebelumnya," kata Bernhardt. "Itu adalah momen yang luar biasa!"
Faktanya, pengukuran mereka mengungkapkan konstanta rotasi formaldehida dalam buku teks fisika sejak tahun 1960an tidak akurat. Berkolaborasi dengan divisi Atomika dan Fisika Molekuler Harvard & Smithsonian Center for Astrophysics di AS, Bernhardt dan kelompoknya mengoreksi nilai parameter spesifik-molekul fundamental ini sebanyak 15%.
Profesor Rolf Breinbauer dan kelompoknya di Institut Kimia Organik TU Graz berkontribusi pada pekerjaan ini dengan menyediakan{0}}formaldehida dengan kemurnian tinggi.
Kredit: Serigala/TU Graz
Para peneliti di laboratorium dengan ponsel UV-spektrometer sisir-(kiri ke kanan) Rolf Breinbauer, Birgitta Bernhardt, Clemens Hoffman, dan Mithun Pal.
Selanjutnya: Lebih kompak dan stabil?
Apa pun tanda spektral yang menarik, ada aplikasi untuk spektrometer sisir ganda UV seluler. Ini dapat digunakan untuk spektroskopi dasar (untuk mengeksplorasi sifat optik dasar spesies apa pun), pengukuran kualitas udara (kimia polutan di atmosfer), biosensing, dan bahkan untuk analisis napas medis.
Tentu saja, meningkatkan ketepatan pengukuran kualitas udara merupakan hal yang penting karena potensinya membantu mengungkap polusi udara di atmosfer dan dampaknya terhadap Bumi.
“Spektrometer kami selalu beroperasi di grup Coherent Sensing saya di TU Graz,” kata Bernhardt. “Karena ada banyak spesies yang harus dipelajari, kami sedang mencari cara untuk membuat instrumen ini lebih kompak untuk melakukan kampanye lapangan pengukuran kualitas udara dengan instrumen tersebut.”
