La spectroscopie photoacoustique appliquée aux analyses sans bruit de fond a été utilisée pour mesurer des concentrations de gaz traces extrêmement faibles. Teemu Tomberg de l'Université d'Helsinki a développé des méthodes de détection qui permettent de mesurer des traces extrêmement faibles de divers gaz.

Pourquoi mesurer de faibles concentrations ?

Les gaz à l'état de traces désignent des substances présentes en très faibles quantités dans l'air et d'autres milieux. Malgré leurs faibles concentrations, les gaz à l'état de traces peuvent avoir un impact significatif sur les propriétés chimiques des composés gazeux. Pour cette raison, leur identification et quantification précises est importante.

Dans sa thèse de doctorat, Teemu Tomberg s'est concentré sur le développement de méthodes de détection de gaz traces basées sur la spectroscopie d'absorption laser sans arrière-plan.

"Sans arrière-plan signifie qu'une tentative est faite pour éliminer tous les signaux perturbateurs ne provenant pas de la cible mesurée, " dit Tomberg.

Les méthodes en question ont des caractéristiques particulières qui les rendent bien adaptées à la détection de concentrations de gaz extrêmement faibles. De telles caractéristiques comprennent l'évolutivité avec la puissance optique combinée à une sensibilité réduite aux fluctuations de la puissance optique.

Faisceaux laser et ondes sonores

Dans sa thèse, Tomberg a utilisé deux approches spectroscopiques :une nouvelle méthode interférométrique pour la mesure des spectres d'absorption à large bande sans bruit de fond, et la spectroscopie photoacoustique améliorée en porte-à-faux.

La recherche a été effectuée au Département de chimie de l'Université d'Helsinki. Tomberg a effectué son travail dans le groupe de spectroscopie laser et ses superviseurs étaient chef de groupe, Professeur agrégé Markku Vainio et professeur Lauri Halonen.

"J'ai effectué les mesures dans la région de l'infrarouge moyen en utilisant un certain nombre de différentes sources de lumière laser, tels que les oscillateurs paramétriques optiques, peignes de fréquence optique et lasers à cascade quantique, " dit Tomberg.

Parmi les réalisations de Tomberg figurait la démonstration de la nouvelle technique de mesure interférométrique sans bruit de fond à l'aide d'un spectromètre à double peigne à infrarouge moyen à la pointe de la technologie. L'étude a été réalisée au CREOL, le Collège d'optique et de photonique, sous la direction du professeur Konstantin Vodopyanov.

Par ses mensurations, Tomberg a démontré que la nouvelle technique améliore le rapport signal/bruit de la spectroscopie d'absorption d'environ un facteur cinq par rapport à la spectroscopie d'absorption directe ordinaire. Le bénéfice obtenu était limité par la faible puissance optique des lasers utilisés, et le rapport signal sur bruit peut en effet être encore amélioré en utilisant des lasers de forte puissance.

En étudiant la spectroscopie photoacoustique améliorée en porte-à-faux, Tomberg a atteint des sensibilités de détection de niveau record en utilisant une puissance optique élevée.

Un concurrent pour les chiens coronavirus ?

Les méthodes développées par Tomberg ont un potentiel applicatif intéressant.

Leur combinaison avec la chromatographie en phase gazeuse permet des analyses de plus en plus fiables de mélanges gazeux même complexes contenant des composés de poids moléculaire faible et élevé. Une telle application serait un nez artificiel pour détecter les maladies.

Cependant, l'avantage des chiens est leur capacité à détecter le coronavirus même sans que nous sachions précisément quelles molécules ils sentent. Pour qu'un nez artificiel fonctionne comme prévu, les molécules biomarqueurs pertinentes à mesurer doivent d'abord être identifiées.

L'étude ouvre de nouvelles voies pour le développement d'équipements pour des applications sur le terrain. Les découvertes de Tomberg illustrent comment la spectroscopie d'absorption laser peut être utilisée comme chromatographe en phase gazeuse à détecteur avancé, en particulier dans les applications sur le terrain où la compacité et le fonctionnement sans entretien des lasers sont utiles.