Gaz w spektroskopii absorpcyjnej w ośrodkach rozpraszających
Spektroskopia absorpcyjna gazu w ośrodku rozpraszającym ( GASMAS ) jest optyczną techniką wykrywania i analizy gazów znajdujących się w porowatych i silnie rozpraszających ciałach stałych, np. proszkach, ceramice, drewnie, owocach, półprzezroczystych opakowaniach, tabletkach farmaceutycznych, piankach, ludzkich zatokach przynosowych itp. została wprowadzona w 2001 roku przez prof. Sune Svanberga i współpracowników z Uniwersytetu w Lund (Szwecja). Technika ta jest zbliżona do konwencjonalnej spektroskopii laserowej o wysokiej rozdzielczości do wykrywania i spektroskopii gazów (np. spektroskopia absorpcyjna z przestrajanymi diodami laserowymi , TDLAS), ale fakt, że gaz jest tutaj „ukryty” w ciałach stałych, powoduje istotne różnice.
Podstawowe zasady
Swobodne gazy wykazują bardzo ostre cechy widmowe, a różne rodzaje gazów mają swoje własne unikalne widmowe odciski palców. Przy ciśnieniu atmosferycznym szerokości linii absorpcji są zwykle rzędu 0,1 cm -1 (tj. ~3 GHz dla częstotliwości optycznej lub 0,006 nm dla długości fali), podczas gdy ośrodki stałe mają matowe zachowanie widmowe z cechami absorpcji tysiąc razy szerszymi. Szukając ostrych śladów absorpcji w świetle wydobywającym się z porowatych próbek, możliwe jest zatem wykrycie gazów zamkniętych w ciałach stałych – mimo że ciało stałe często tłumi światło znacznie silniej niż sam gaz.
Podstawową zasadę GASMAS pokazano na rysunku 1. Światło lasera jest wysyłane do próbki z wnękami gazowymi, które mogą być małymi porami (po lewej) lub większymi komorami wypełnionymi gazem. Heterogeniczna natura porowatego materiału często powoduje silne rozpraszanie światła, a długości ścieżek są często zaskakująco długie (10 lub 100-krotność wymiaru próbki nie jest rzadkością). Ponadto światło ulegnie absorpcji związanej z materiałem stałym. Podczas przechodzenia przez materiał światło będzie przechodzić częściowo przez pory, a tym samym doświadczać będzie widmowo ostrej absorpcji gazu. Światło opuszczające materiał będzie przenosić tę informację i może być zbierane przez detektor w trybie transmisyjnym (po lewej) lub w trybie odbicia (po prawej).
spektroskopii absorpcyjnej z przestrajalną diodą laserową (TDLAS) o wysokiej rozdzielczości . Zasadniczo oznacza to, że prawie monochromatyczny (wąskopasmowy) laser jest skanowany wzdłuż linii absorpcyjnej gazu, a detektor rejestruje profil transmisji. W celu zwiększenia czułości często stosuje się techniki modulacji.
Siła absorpcji gazu będzie zależała, zgodnie z prawem Beera-Lamberta , zarówno od stężenia gazu, jak i długości drogi, jaką światło przebyło przez gaz. W konwencjonalnym TDLAS długość ścieżki jest znana, a stężenie można łatwo obliczyć na podstawie transmitancji. W GASMAS ekstensywne rozpraszanie sprawia, że długość ścieżki jest nieznana, a oznaczanie stężenia gazu jest utrudnione. Jednak w wielu zastosowaniach stężenie gazu jest znane i inne parametry są w centrum uwagi. Ponadto, jak omówiono w 2.2, istnieją uzupełniające techniki, które mogą dostarczyć informacji na temat długości drogi optycznej, umożliwiając w ten sposób ocenę również stężeń gazów.
Wyzwania
Światło rozproszone
Nieznana długość ścieżki interakcji
Zakłócenia optyczne
Powszechnie wiadomo, że interferencja optyczna często stanowi poważny problem w laserowej spektroskopii gazowej. W konwencjonalnych laserowych spektrometrach gazowych interferencja optyczna pochodzi np. z efektów interferencyjnych typu etalonu w elementach optycznych (lub pomiędzy) a wieloprzebiegowymi ogniwami gazowymi. Przez lata włożono wiele wysiłku w rozwiązanie tego problemu. Właściwa konstrukcja optyczna jest ważna, aby zminimalizować zakłócenia od samego początku (np. poprzez przechylenie elementów optycznych, unikanie optyki przepuszczającej i stosowanie powłoki antyrefleksyjnej), ale nie można całkowicie uniknąć wzorców interferencji i często trudno je oddzielić od absorpcji gazu. Ponieważ spektroskopia gazowa często obejmuje pomiary małych frakcji absorpcyjnych (do 10-7 ) , kluczowe znaczenie ma odpowiednie radzenie sobie z zakłóceniami. Stosowane środki zaradcze obejmują niestandardową konstrukcję optyczną, dostosowaną modulację lasera, mechaniczne dithering, przetwarzanie sygnału, modulację próbki oraz rejestrację linii bazowej i odejmowanie zakłóceń.
W przypadku GASMAS zakłócenia optyczne są szczególnie uciążliwe. Jest to związane z poważną interferencją typu plamkowego, która pochodzi z interakcji między światłem lasera a silnie rozpraszającymi materiałami stałymi. Ponieważ te wysoce niejednorodne zakłócenia są generowane w tym samym miejscu co sygnał sieciowy, nie można ich usunąć zgodnie z projektem. Właściwości optyczne badanego materiału porowatego określają wzór interferencji, a poziom interferencji nierzadko jest znacznie silniejszy niż rzeczywiste sygnały absorpcji gazu. Losowe mechaniczne dithering (np. dithering wiązki laserowej i/lub obracanie próbki) okazał się skuteczny w GASMAS. Jednak to podejście przekształca stabilne zakłócenia w przypadkowy szum, który należy uśrednić, co wymaga dłuższych czasów akwizycji. Rejestracja linii bazowej i odejmowanie zakłóceń mogą być stosowane w niektórych zastosowaniach GASMAS, podobnie jak inne metody opisane powyżej.
Aplikacje
Diagnostyka medyczna
Widzieć
Porozymetria optyczna
Widzieć
Monitorowanie procesów suszenia
Widzieć
Zastosowania farmaceutyczne
Widzieć
Monitoring żywności i opakowań do żywności
Większość żywności, którą dziś konsumujemy, jest pakowana w różnorodne opakowania, aby zapewnić jej jakość oraz umożliwić transport i dystrybucję. Wiele z tych opakowań jest szczelnych dla powietrza lub gazu, co utrudnia badanie składu gazu bez perforacji. W wielu przypadkach bardzo cenne jest zbadanie składu gazów bez niszczenia opakowania.
Być może najlepszym przykładem są badania ilości tlenu w opakowaniach żywności. Tlen jest naturalnie obecny w większości żywności i jej opakowaniach, ponieważ jest głównym składnikiem powietrza. Jednak tlen jest również jedną z głównych przyczyn lub potrzeb starzenia się substancji biologicznych, ze względu na jego źródło wzrostu aktywności chemicznej i mikrobiologicznej. Obecnie stosuje się metody takie jak [zmodyfikowana atmosfera] (MAP) i [atmosfera kontrolowana] pakowanie (CAP) w celu zmniejszenia i kontrolowania zawartości tlenu w opakowaniach żywności w celu przedłużenia [okresu przydatności do spożycia] i zapewnienia bezpieczeństwa żywności. Aby zapewnić skuteczność tych metod, ważne jest regularne mierzenie stężenia tlenu (i innych gazów) wewnątrz tych opakowań. GASMAS daje możliwość zrobienia tego w sposób nieinwazyjny, bez niszczenia żywności czy opakowań. Dwie główne zalety pomiaru składu gazu w opakowaniach bez perforacji polegają na tym, że w procesie kontrolnym nie dochodzi do marnowania żywności oraz że to samo opakowanie może być wielokrotnie kontrolowane przez dłuższy czas, aby monitorować zależność składu gazu od czasu. Badania mogą służyć do zapewnienia szczelności opakowań, ale także do badania procesów psucia się żywności.
Wiele żywności samo w sobie zawiera wolny gaz rozprowadzany w porach. Przykładami są owoce, chleb, mąka, fasola, ser itp. Również ten gaz może mieć wielką wartość do badania w celu monitorowania jakości i poziomu dojrzałości (patrz np. i ).
Spektroskopia gazu zamkniętego w materiałach nanoporowatych
Widzieć