Miksi kannattaa mitata pieniä pitoisuuksia?
Hivenkaasuilla tarkoitetaan aineita, joita on vain hyvin vähän väliaineessa, kuten ilmassa. Pienistä pitoisuuksista huolimatta hivenkaasuilla voi olla merkittävä vaikutus kaasuseoksen kemiallisiin ominaisuuksiin. Siksi on tärkeää määrittää hivenkaasujen laatu ja pitoisuudet tarkasti.
Väitöskirjassaan Teemu Tomberg keskittyi taustavapaiden laserabsorptiospektroskopiaan perustuvien hivenkaasumittausmenetelmien kehittämiseen.
–Taustavapaalla tarkoitan sitä, että muusta kuin mittauskohteesta tuleva signaali pyritään poistamaan, koska usein se häiritsee mittausta, kertoo Tomberg.
Kyseisillä mittausmenetelmillä on erityispiirteitä, jotka sopivat hyvin erittäin pienten pitoisuuksien mittaamiseen. Näihin lukeutuu esimerkiksi havaittavan signaalin voimistuminen mittalaitteen optisen tehon suhteen, mutta samalla vähäisempi herkkyys sen häiriöille.
Lasersäteitä ja ääniaaltoja
Väitöskirjatyössään Tomberg hyödynsi kahta spektroskooppista mittausperiaatetta: uudenlaista interferometrista menetelmää laajakaistaisen taustavapaan absorptiospektrin mittaamiseksi sekä läppävahvisteista valoakustista spektroskopiaa. Työ tehtiin Helsingin yliopiston Kemian osastolla Laser Spectroscopy –tutkimusryhmässä apulaisprofessori Markku Vainion ja professori Lauri Halosen ohjauksessa.
–Suoritin mittaukset keski-infrapuna-alueella käyttäen useita erilaisia laservalon lähteitä, kuten optisia parametrivärähtelijöitä, optisia taajuuskampoja sekä kvanttikaskadilasereita, kertoo Teemu Tomberg.
Tuloksiin lukeutui myös hänen kehittämänsä uuden interferometrisen taustavapaan mittausmenetelmän havainnollistaminen tämän hetkistä huipputasoa edustavan keski-infrapunakaksoiskampaspektrometrin avulla. Tämä osa väitöskirjatyöstä tehtiin optiikan ja fotoniikan alan yliopistossa CREOL:ssa professori K. Vodopyanovin johdolla.
Mittauksilla Tomberg osoitti, että uusi menetelmä parantaa absorptiomittauksen signaali-kohinasuhdetta noin kertoimella viisi verrattuna tavalliseen suoraan absorptiospektroskopiaan. Saavutettua etua rajoitti käytettyjen laserien pieni optinen teho, ja signaali-kohinasuhdetta onkin mahdollista parantaa suurteholasereiden avulla.
Läppävahvisteisen valoakustisen spektroskopian tutkimuksessa hän saavutti ennätyksellisiä havaintoherkkyyksiä hyödyntämällä suuria lasertehoja.
Kilpailija koronakoiralle?
Tombergin kehittämillä menetelmillä on mielenkiintoisia sovellusmahdollisuuksia.
Uusien menetelmien ja kaasukromatografian yhdistelmällä voidaan analysoida aiempaa luotettavammin myös monimutkaisia kaasuseoksia, jotka sisältävät sekä pienen että suuren molekyylimassan yhdisteitä. Tulokset havainnollistavat laserabsorptiospektroskopian soveltuvuuden kehittyneeksi kaasukromatografian ilmaisimeksi etenkin kenttäsovelluksissa, joissa laserien pienestä koosta ja huoltovapaudesta on etua. Tauteja tunnistava keinotekoinen nenä on yksi sovellusmahdollisuuksista.
Koiran etuna on kuitenkin se, että se pystyy tunnistamaan koronan, vaikka ei tiedettäisi tarkkaan mitä molekyylejä se haistaa. Laitetta varten pitäisikin määritellä biomarkkerit eli molekyylit, joihin mittarin halutaan reagoivan.
Laitekehitykseen avautuu uusia mahdollisuuksia. Tulokset havainnollistavat laserabsorptiospektroskopian soveltuvuuden kehittyneeksi kaasukromatografian ilmaisimeksi etenkin kenttäsovelluksissa, joissa laserien pienestä koosta ja huoltovapaudesta on etua.
Teemu Tomberg : Application of interferometry and cantilever-enhanced photo-acoustic spectroscopy to background-free trace gas detection. 2020. University of Helsinki, Faculty of Science, Department of Chemistry, Doctoral Programme in Chemistry and Molecular Research. Väitöstilaisuus oli 16.10.2020.
Teemu Tomberg työskentelee tällä hetkellä tutkijana Farmasian, Matemaattis-luonnontieteellisen ja Lääketieteellisen tiedekunnan yhteishankkeessa, jossa hänen vastuullaan on koherenttia Raman spektroskopiaa hyödyntävän mikroskoopin rakentaminen.
Lisätietoja:
Teemu Tomberg, teemu.tomberg@helsinki.fi puh. +358 504088246