Optimización del proceso de análisis óptico de gases traza
El profesor Gernot Friedrichs, de la Universidad de Kiel, ha desarrollado un nuevo método para hacer invisibles las señales de interferencia en la espectroscopia de absorción láser
La espectroscopia de absorción basada en láser es un método importante para determinar la concentración de componentes gaseosos en una muestra. Los aparatos modernos están altamente especializados para detectar gases muy específicos, como los gases traza en la atmósfera, en los humos de escape de la combustión y en aplicaciones técnicas de plasmas. Para ello, miden la proporción de luz de una longitud de onda específica que es absorbida o atenuada por una muestra. Esto permite determinar la concentración del gas. La longitud de onda de detección seleccionada depende de la molécula que se quiera medir. Un problema habitual es que distintas moléculas pueden absorber la misma luz, incluso a una longitud de onda elegida con ingenio. "Los espectros de absorción de las distintas moléculas de gas a veces se solapan de forma muy significativa. Esto significa que si quiero detectar la molécula A, siempre obtengo también un grado variable de señal intensa de la molécula B", explica el profesor Gernot Friedrichs, del Instituto de Química Física de la Universidad de Kiel (CAU). Esta denominada sensibilidad cruzada limita la eficacia del método de medición. Hasta la fecha, este problema se ha eliminado o, al menos, reducido mediante mediciones adicionales a diferentes longitudes de onda, es decir, la medición de espectros, o bien los gases interferentes se separan mediante métodos de cromatografía de gases antes de la medición propiamente dicha. Friedrichs y su antiguo doctorando, el Dr. Ibrahim Sadiek, del Instituto Leibniz de Ciencia y Tecnología del Plasma e.V. (INP) de Greifswald, han demostrado ahora que existe una solución más sencilla. Han desarrollado un método para superar esta sensibilidad cruzada en la espectroscopia de absorción, incluso cuando las mediciones sólo se realizan en una longitud de onda. El estudio de viabilidad del nuevo método de dos especies y una longitud de onda (2S1W), pendiente de patente y basado en la saturación óptica selectiva, se ha publicado recientemente en la revista científica Scientific Reports.
La detección de concentraciones muy bajas de gases traza en la atmósfera puede compararse con la búsqueda de unos pocos abetos en un bosque de píceas. La imagen ilustra que se puede utilizar la saturación óptica selectiva para hacer desaparecer la información no deseada -en este caso, los abetos- como si estuviera oculta
© Illustration: Gernot Friedrichs, Kiel University
Eliminación de señales parásitas mediante saturación óptica
El nuevo método aprovecha el fenómeno de saturación óptica de las moléculas. El estado de saturación óptica sólo se produce a altas intensidades de luz, que hoy en día pueden generarse fácilmente con láseres. Las moléculas se vuelven entonces "transparentes" para la espectroscopia de absorción, lo que significa que la luz irradiada ya no se atenúa. El punto en el que la muestra se vuelve transparente es una propiedad del tipo de gas correspondiente. Hasta ahora, la saturación óptica se consideraba desventajosa para las mediciones de absorción y, por tanto, se evitaba en la medida de lo posible, ya que distorsiona la medición de la concentración. Sin embargo, Sadiek y Friedrichs han demostrado ahora en su estudio que aprovechar la saturación óptica selectiva puede incluso ayudar a determinar por separado las concentraciones de dos moléculas que interfieren completamente entre sí a una longitud de onda fija. "Para ello, variamos la intensidad de la luz muy rápidamente y en un amplio intervalo en una célula de medición especial. A baja intensidad luminosa, se mide la suma de las absorciones de ambas especies, y a alta intensidad luminosa, una de las moléculas se satura. Por tanto, sólo detectamos la señal de una especie. En nuestro caso, se detectó el cloruro de metilo, ya que el metano ya estaba saturado", subraya Sadiek. "Cuando probamos esto por primera vez, nos fascinó lo bien que funciona realmente separar las señales de ambas especies de esta forma conceptualmente tan sencilla".
Un problema típico en la práctica es, por ejemplo, la detección de hidrocarburos clorados, que se dan en concentraciones muy bajas en la atmósfera. "Si queremos detectarlos sin separar previamente la mezcla, nos encontramos automáticamente con el problema de que los gases traza presentes en concentraciones más elevadas, como el dióxido de carbono o el metano y, sobre todo, el vapor de agua, es decir, la humedad, interfieren en la medición. Con nuestro método, podemos simplemente hacer que estos gases interferentes sean invisibles en el espectro", explicó Friedrichs. En la actualidad, su grupo trabaja en proyectos de investigación marina para seguir desarrollando el método y utilizarlo en espectrómetros de absorción convencionales. A continuación, se demostrará el potencial de reducción de las sensibilidades cruzadas en mediciones de campo con el fin de investigar mejor los procesos de intercambio en la interfaz agua-aire. En principio, el método también es adecuado para la detección simultánea de un gran número de gases traza, siempre que tengan una intensidad de saturación suficientemente diferente.
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