Химики научились определять невероятно малые концентрации газов

Американо-китайская группа ученых разработала новую технику определения следовых концентраций газов на основе фотоакустического эффекта. Это явление заключается в том, что под воздействием излучения расширяющиеся газы очень быстро нагреваются и порождают звуковые волны. Исследование опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

«Во многих отношениях фотоакустический эффект — наиболее практичный способ, с помощью которого ученые определяют загрязнения в атмосфере, — говорит Джеральд Дибольд, профессор химии из Университета Брауна. — Однако если концентрация искомых молекул находится на уровне квадриллионных частей (10^-15), то их сигнал становится слишком слабым. Мы разработали новую фотоакустическую методику, которая усиливает сигнал и позволяет достичь таких рекордных показателей».

Современные фотоакустические детекторы работают при помощи лазерного излучения. Лазер излучает в узкой спектральной полосе, поэтому, настраивая его частоту, можно добиться того, чтобы она совпадала с линиями поглощения необходимых ученым молекул. Когда излучение проходит через смесь газов, оно избирательно нагревает только определенный тип молекул. По силе издаваемого при этом звука можно определить концентрацию этого вещества.

Чтобы зарегистрировать сигнал от веществ в малых концентрациях, авторы усиливают его с помощью трех параллельных процессов. Во-первых, они используют несколько лазеров, лучи которых находятся под определенными углами, образуя в месте пересечения интерференционную картину в виде решетки. Правильно подобрав частоты, можно заставить эту решетку двигаться сквозь газ со скоростью звука, усиливая сигнал в каждом интерференционном максимуме. Во-вторых, используется специальный пьезоэлектрический кристалл, частота вибраций которого совпадает с частотой комбинации лазерных лучей. Согласно третьему новшеству необходимо изменять длину полости, в которой происходит анализ, что также позволяет усиливать сигнал, когда размер полости равняется целому числу длин полуволн регистрируемого звука. Используя такой каскад резонансов, авторы смогли зафиксировать гексафторид серы в необходимой концентрации — на уровне 10^-15.