Les chercheurs ont développé une nouvelle façon de faire fonctionner des lasers miniatures à cascade quantique (QCL) pour mesurer rapidement et simultanément les spectres d'absorption de différentes molécules organiques dans l'air. La technique offre une méthode sensible pour détecter de faibles concentrations de composés organiques volatils (COV), améliorer la capacité de suivre comment ces composés affectent la santé humaine, procédés industriels et qualité de l'air ambiant. Le nouveau système pourrait également améliorer la fiabilité des tests d'alcoolémie en faisant une distinction plus sélective entre l'éthanol et les autres gaz expirés.
Les QCL sont constitués de plusieurs couches de semi-conducteurs agencés pour augmenter les émissions de photons en exploitant les effets quantiques. Les chercheurs ont conçu une configuration basée sur QCL qui mesure les composés absorbant le rayonnement électromagnétique sur un large spectre avec un seul laser, une tâche qui aurait auparavant nécessité plusieurs lasers travaillant ensemble.
Les COV se trouvent couramment dans les gaz d'échappement des véhicules, solvants, matériaux de construction et de nombreux autres produits. Ils peuvent être nocifs pour les personnes et les écosystèmes, et ils contribuent à la production d'ozone troposphérique et au réchauffement climatique. Les méthodes en temps réel pour identifier et suivre les COV sont importantes pour les chercheurs en pollution et climat, organismes de santé publique, fabricants, premiers intervenants et expéditeurs, entre autres.
Le nouveau système, basé sur un laser infrarouge accordable électriquement sans pièces mécaniques, fournit une précision suffisante et balaye une gamme de fréquences optiques suffisamment large pour identifier simultanément plusieurs espèces présentes et déterminer leurs concentrations. Les chercheurs basés en Suisse, dirigé par Lukas Emmenegger de l'Empa, un institut de science et technologie des matériaux, décriront leur nouvelle méthode au congrès Optical Sensors and Sensing Congress de The Optical Society, qui aura lieu du 25 au 27 juin à San José, Californie, pendant Sensors Expo 2019.
Ouverture de fenêtres étroites sur un large spectre
Contrairement à la tâche de détecter un seul composé chimique, identifier les différentes espèces au sein des COV nécessite de composer la sortie optique du QCL sur une très large gamme de fréquences. Pour y parvenir, les chercheurs ont utilisé un type relativement nouveau de QCL, optimisé pour être ajustable sur une plage de fréquences d'émission plus large que d'habitude, connu sous le nom de Very Large Tuning QCL (QC-XT), et alimenté l'appareil en mode intermittent pour maximiser le réglage optique et minimiser la consommation d'énergie du laser.
Puis ils ont introduit la principale innovation de la nouvelle approche :en chauffant le miroir avant ou arrière du laser avec de courtes impulsions de courant électrique, ils ont découvert qu'ils pouvaient sélectionner la plage de fréquences que le laser produirait par l'effet dit Vernier. En utilisant cette approche, la configuration se déplace essentiellement à travers plusieurs canaux d'observation le long du spectre d'absorption de la molécule dans lesquels des détails précis peuvent être mesurés et comparés à des caractéristiques spectrales connues, offrant une couverture presque continue sur une large gamme de fréquences avec une grande précision.
« La commutation rapide entre les différents canaux du QCL offre une sélectivité et une sensibilité en temps réel sans précédent pour la détection des COV, " a déclaré Emmenegger.
« Les mesures de haute précision des COV sont actuellement dominées par les méthodes classiques, comme la chromatographie en phase gazeuse ou la spectrométrie de masse. La combinaison de la haute résolution spectrale des QCL à rétroaction distribuée bien établies avec la capacité multicanal de QC-XT peut changer la donne dans le domaine de l'analyse des COV, " ajouta Emmenegger.
Détection rapide et sensible
Cette approche analytique innovante se prête particulièrement bien à la reconnaissance rapide des caractéristiques spectrales largement espacées des COV. Pour tester la méthode, l'équipe a utilisé sa nouvelle configuration pour mesurer simultanément les spectres infrarouges d'un mélange de méthanol, l'éthanol et l'acétaldéhyde.
La démonstration a montré que la méthode distingue avec succès chaque espèce moléculaire des autres et est rapide et sensible. Une série de mesures à travers six canaux spectraux différents a pris un total de 18 millisecondes. Alors que les canaux individuels sont balayés à une résolution spectrale très élevée en seulement 50 microsecondes, la plupart du temps est consacré au réglage du chauffage électrique des composants laser pour sélectionner l'emplacement du canal suivant le long des spectres.
Le système a évalué des concentrations moléculaires aussi basses que 50 parties par million avec une précision de 50 parties par milliard. Avec d'autres travaux, les chercheurs pensent que le système pourrait atteindre une sensibilité encore plus grande.
Améliorer l'analyse de l'haleine
En plus d'être prêt pour une gamme d'applications dans la détection des COV environnementaux et professionnels, le nouveau système pourrait trouver une application dans l'analyse médicale de l'haleine ou pour améliorer les normes actuellement utilisées pour la mesure de la teneur en alcool dans l'haleine.
Dans un article publié le 12 février dans le journal de The Optical Society Optique Express , l'équipe de l'Empa signale la détection d'alcool en suspension dans l'air à des concentrations aussi faibles que 9 parties par milliard à l'aide d'un QCL. Ces résultats suggèrent que l'utilisation de spectromètres laser QCL pour l'analyse de l'alcool dans l'haleine peut offrir une voie vers une fiabilité et une normalisation améliorées à l'échelle mondiale du test médico-légal le plus fréquent au monde, disent les chercheurs.
