Optimisation du processus d'analyse optique des gaz à l'état de traces
Le professeur Gernot Friedrichs de l'université de Kiel a mis au point une nouvelle approche pour rendre invisibles les signaux parasites en spectroscopie d'absorption laser
La spectroscopie d'absorption à base de laser est une méthode importante pour déterminer la concentration des composants gazeux dans un échantillon. Les appareils modernes sont hautement spécialisés dans la détection de gaz très spécifiques, tels que les gaz à l'état de traces 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 qui est 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 importante. Cela signifie que si je veux détecter la molécule A, j'obtiens toujours un signal plus ou moins fort de la molécule B", explique le professeur Gernot Friedrichs de l'Institut de chimie physique de l'université de Kiel (CAU). Cette 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, soit par la séparation des gaz interférents 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 des plasmas e.V. (INP), à Greifswald, ont maintenant démontré qu'il existe une solution plus simple. Ils ont mis au point une méthode permettant de 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 "deux espèces - une longueur d'onde" (2S1W), en instance de brevet et basée sur la saturation optique sélective, a été récemment publiée dans la revue scientifique Scientific Reports.
La détection de très faibles concentrations de gaz à l'état de traces dans l'atmosphère peut être comparée à la recherche de quelques sapins dans une forêt d'épicéas. L'image illustre que la saturation optique sélective peut être utilisée pour faire disparaître l'information indésirable - dans ce cas, les épicéas - comme si elle était cachée
© Illustration: Gernot Friedrichs, Kiel University
Élimination des signaux parasites grâce à la saturation optique
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 à l'aide de lasers. Les molécules deviennent alors "transparentes" pour la spectroscopie d'absorption, ce qui signifie que la lumière irradiée n'est plus atténuée. Le point à partir duquel l'échantillon devient transparent est une propriété du type de gaz concerné. Jusqu'à présent, la saturation optique était considérée comme un inconvénient pour les mesures d'absorption et donc évitée autant que possible, car elle fausse la mesure de la concentration. Sadiek et Friedrichs ont cependant démontré dans leur étude que l'utilisation de la saturation optique sélective peut même permettre de déterminer séparément les concentrations de deux molécules qui se gênent mutuellement 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 saturée. Nous n'avons donc détecté que le signal d'une seule espèce. Dans notre cas, c'est le chlorure de méthyle qui a été détecté, car le méthane était déjà saturé", souligne Sadiek. "Lorsque nous avons essayé cette méthode pour la première fois, nous avons été fascinés de voir à quel point il était possible de séparer les signaux des deux espèces d'une manière aussi simple sur le plan conceptuel.
Un problème typique dans la pratique est, par exemple, la détection des hydrocarbures chlorés, qui sont présents en très faibles concentrations dans l'atmosphère. "Si l'on veut les détecter sans séparer le mélange au préalable, on se heurte automatiquement au problème suivant : les gaz à l'état de traces présents en plus grande concentration, tels que 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 méthode, nous pouvons simplement rendre ces gaz interférents invisibles dans le spectre", explique Friedrichs. Le potentiel de réduction des sensibilités croisées sera ensuite démontré lors de mesures sur le terrain afin de mieux étudier les processus d'échange à l'interface entre l'eau et l'air. En principe, la méthode convient également à la détection simultanée d'un grand nombre de gaz à l'état de traces, à condition qu'ils aient une intensité de saturation suffisamment différente.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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