La spectroscopie d'absorption laser est une méthode importante pour déterminer la concentration des composants gazeux dans un échantillon. Les appareils modernes sont hautement spécialisés pour détecter des gaz très spécifiques, tels que des traces de gaz dans l'atmosphère, dans les fumées de combustion et dans les applications techniques des plasmas.
Pour ce faire, ils mesurent la proportion de lumière d’une longueur d’onde spécifique absorbée ou atténuée par un échantillon. Cela permet de déterminer la concentration du gaz. La longueur d'onde de détection sélectionnée dépend de la molécule à mesurer.
Un problème courant est que différentes molécules peuvent absorber la même lumière, même à une longueur d’onde judicieusement choisie. "Les spectres d'absorption des différentes molécules de gaz se chevauchent parfois de manière très significative. Cela signifie que si je veux détecter la molécule A, je reçois toujours un signal fort et variable de la molécule B", explique le professeur Gernot Friedrichs de l'Institut de chimie physique. à l'Université de Kiel (CAU).
Cette soi-disant sensibilité croisée limite l’efficacité de la méthode de mesure. Jusqu'à présent, ce problème a été soit éliminé, soit au moins réduit par des mesures supplémentaires à différentes longueurs d'onde, c'est-à-dire par la mesure de spectres, ou bien les gaz interférents sont séparés au moyen de méthodes de chromatographie en phase gazeuse avant la mesure proprement dite.
Friedrichs et son ancien doctorant, le Dr Ibrahim Sadiek de l'Institut Leibniz pour la science et la technologie du plasma e.V. (INP), Greifswald, ont désormais démontré qu'il existe une solution plus simple. Ils ont développé une méthode pour surmonter cette sensibilité croisée dans la spectroscopie d'absorption, même lorsque les mesures ne sont effectuées qu'à une seule longueur d'onde.
L'étude de faisabilité de la nouvelle méthode en instance de brevet à deux espèces et une longueur d'onde (2S1W), basée sur la saturation optique sélective, a été récemment publiée dans la revue Scientific Reports. .
La nouvelle méthode exploite le phénomène de saturation optique des molécules. L’état de saturation optique ne se produit qu’à des intensités lumineuses élevées, qui peuvent aujourd’hui être générées assez facilement avec des lasers. Les molécules deviennent alors « transparentes » pour la spectroscopie d’absorption, c’est-à-dire que la lumière irradiée n’est plus atténuée. Le point auquel l'échantillon devient transparent est une propriété du type de gaz respectif.
Jusqu'à présent, la saturation optique était considérée comme désavantageuse pour les mesures d'absorption et donc évitée autant que possible, car elle fausse la mesure de concentration. Cependant, Sadiek et Friedrichs ont démontré dans leur étude que tirer parti de la saturation optique sélective peut même aider à déterminer séparément les concentrations de deux molécules complètement interférentes à une longueur d'onde fixe.
"Pour ce faire, nous avons fait varier l'intensité lumineuse très rapidement et sur une large plage dans une cellule de mesure spéciale. À faible intensité lumineuse, la somme des absorptions des deux espèces est mesurée, et à forte intensité lumineuse, l'une des molécules est mesurée. Nous avons donc détecté le signal d'une seule espèce. Dans notre cas, le chlorure de méthyle a été détecté, car le méthane était déjà saturé", a souligné Sadiek. "Lorsque nous avons essayé cela pour la première fois, nous avons été fascinés par l'efficacité avec laquelle cela fonctionne réellement pour séparer les signaux des deux espèces de cette manière conceptuellement simple."
Un problème typique dans la pratique est, par exemple, la détection des hydrocarbures chlorés, présents en très faibles concentrations dans l’atmosphère. "Si vous souhaitez les détecter sans séparer le mélange au préalable, vous rencontrez automatiquement le problème que les gaz traces présents en concentrations plus élevées, comme le dioxyde de carbone ou le méthane et surtout la vapeur d'eau, c'est-à-dire l'humidité, interfèrent avec la mesure. Avec notre ", nous pouvons simplement rendre ces gaz interférents invisibles dans le spectre", a expliqué Friedrichs.
Son groupe travaille actuellement sur des projets de recherche marine pour développer davantage la méthode destinée à être utilisée dans les spectromètres d'absorption conventionnels. Le potentiel de réduction des sensibilités croisées sera ensuite démontré par des mesures sur le terrain afin de mieux étudier les processus d'échange à l'interface eau-air. En principe, la méthode convient également à la détection simultanée d'un grand nombre de gaz traces, à condition qu'ils aient une intensité de saturation suffisamment différente.
Plus d'informations : Ibrahim Sadiek et al, Détection de deux espèces – une longueur d'onde basée sur la spectroscopie sélective de saturation optique, Rapports scientifiques (2023). DOI :10.1038/s41598-023-44195-3
Informations sur le journal : Rapports scientifiques
Fourni par l'Université de Kiel
