Исследователи из Китая и США добились значительного увеличения точности в анализе газообразных загрязнений, содержащихся в атмосфере. Научная группа Джеральда Дибола (Gerald Diebold) из Университета Браун, специалиста по фотоакустическим эффектам, сообщает, что разработанная ими методика позволяет обнаруживать в газах вещества, находящиеся там в квадриллионных частях – 10^–15.

Новая методика позволяет обнаружить загрязнения окружающей среды, концентрация которых в воздухе крайне невелика (Рисунок из Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2017, DOI: 10.1073/pnas.1706040114)

Фотоакустический эффект в настоящее время представляет собой основу для наиболее практичных и распространенных методов обнаружения концентраций газообразных веществ, загрязняющих атмосферу. Тее не менее, до недавнего времени, эксплуатируя особенности этого эффекта можно было детектировать вещества с концентрацией не ниже, чем одна триллионная доля (10–12), что не позволяло применять фотоакустический эффект для обнаружения тех веществ, даже меньшее содержание которых в атмосфере может быть опасным как для окружающей среды, так и для химии атмосферных процессов.

Суть фотоакустического эффекта можно объяснить следующим образом: при прохождении луча света через газ, энергия электромагнитного излучения поглощается частицами газа, в результате чего они увеличивают свою кинетическую энергию и начинаются двигаться быстрее, создавая упругую продольную волну, которую можно детектировать в качестве звука. Проблема методики заключается в том, что при снижении концентрации определяемых частиц мощность сигнала также снижается, и в конечном итоге его просто становится невозможным детектировать.

Для достижения точности в одну квадриллионную долю Дибол с коллегами решили усилить сигнал за счет комбинированного эффекта трех различных резонансных сигналов. Такой комбинации удалось добиться, используя для активации совместное действие двух лазеров, кристалл с пьезоэлектрическими свойствами и точно определенную длину камеры обнаружения. Правильный подбор всех параметров позволил значительного усиления резонансной интенсивности сигнала и, таким образом, увеличения точности измерения.

Еще одной сажной чертой разработанного метода является то, что с его помощью можно вести непрерывный анализ газовой смеси без необходимых ранее этапов отбора пробы, её подготовки и введения в аналитический прибор. Это обстоятельство позволяет использовать новый способ «тройного резонанса» для непрерывного мониторинга окружающей среды.

Источник: Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2017, DOI: 10.1073/pnas.1706040114