Jump to content

Газ в рассеивающих средах, абсорбционная спектроскопия

Абсорбционная спектроскопия газа в рассеивающих средах ( GASMAS ) — это оптический метод обнаружения и анализа газа, находящегося внутри пористых и сильно рассеивающих твердых тел, например, порошков, керамики, дерева, фруктов, полупрозрачных упаковок, фармацевтических таблеток, пенопластов, околоносовых пазух человека и т. д. был представлен в 2001 году профессором Суне Сванбергом и его коллегами из Лундского университета (Швеция). [ 1 ] Этот метод связан с традиционной лазерной спектроскопией высокого разрешения для обнаружения и спектроскопии газа (например, спектроскопия поглощения перестраиваемого диодного лазера , TDLAS), но тот факт, что газ здесь «спрятан» внутри твердых материалов, приводит к важным различиям.

Основные принципы

[ редактировать ]

Свободные газы обладают очень резкими спектральными характеристиками, а разные виды газа имеют свои уникальные спектральные характеристики. При атмосферном давлении ширина линий поглощения обычно составляет порядка 0,1 см. −1 (т.е. ~3 ГГц по оптической частоте или 0,006 нм по длине волны), в то время как твердые среды имеют тусклый спектральный характер с характеристиками поглощения в тысячу раз шире. Таким образом, ища резкие следы поглощения света, исходящего из пористых образцов, можно обнаружить газы, содержащиеся в твердых телах, хотя твердое тело часто ослабляет свет гораздо сильнее, чем сам газ.

Основной принцип GASMAS показан на рисунке 1. Лазерный свет направляется в образец с газовыми полостями, которые могут представлять собой либо небольшие поры (слева), либо более крупные газонаполненные камеры. Неоднородная природа пористого материала часто приводит к сильному рассеянию света, а длины оптического пути часто оказываются на удивление большими (в 10 или 100 раз больше размера образца, что не является редкостью). Кроме того, свет будет поглощаться твердым материалом. Проходя через материал, свет частично проходит через поры и, таким образом, испытывает спектрально резкое газовое поглощение. Свет, выходящий из материала, будет нести эту информацию и может быть собран детектором либо в режиме передачи (слева), либо в режиме отражения (справа).

Чтобы обнаружить спектрально четкие следы, связанные с газом, GASMAS до сих пор полагался на перестраиваемую диодную лазерную абсорбционную спектроскопию высокого разрешения (TDLAS). В принципе, это означает, что почти монохроматический (узкополосный) лазер сканирует линию поглощения газа, а детектор регистрирует профиль пропускания. Для повышения чувствительности часто используются методы модуляции.

Сила поглощения газа будет зависеть, как указано в законе Бера-Ламберта , как от концентрации газа, так и от длины пути, который свет прошел через газ. В обычном TDLAS длина пути известна, и концентрация легко рассчитывается по коэффициенту пропускания. В GASMAS сильное рассеяние делает длину пути неизвестной и определение концентрации газа усложняется. Однако во многих приложениях концентрация газа известна, а другие параметры находятся в центре внимания. Кроме того, как обсуждалось в разделе 2.2, существуют дополнительные методы, которые могут предоставить информацию о длине оптического пути, что позволяет также оценить концентрации газа.

Проблемы

[ редактировать ]

Рассеянный свет

[ редактировать ]

Неизвестная длина пути взаимодействия

[ редактировать ]

Оптический интерференционный шум

[ редактировать ]

Хорошо известно, что оптическая интерференция часто является серьезной проблемой в лазерной газовой спектроскопии. [ 2 ] [ 3 ] В обычных лазерных газовых спектрометрах оптическая интерференция возникает, например, из-за интерференционных эффектов эталонного типа внутри (или между) оптических компонентов и многопроходных газовых ячеек. На протяжении многих лет огромные усилия были направлены на решение этой проблемы. Правильная оптическая конструкция важна для минимизации помех с самого начала (например, путем наклона оптических компонентов, отказа от пропускающей оптики и использования просветляющего покрытия), но интерференционных картин невозможно полностью избежать, и их часто трудно отличить от поглощения газа. Поскольку газовая спектроскопия часто предполагает измерение малых фракций поглощения (до 10 −7 ), решающее значение имеет правильное реагирование на помехи. Используемые контрмеры включают индивидуальную оптическую конструкцию, [ 4 ] индивидуальная лазерная модуляция, [ 5 ] механическое сглаживание, [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] постобработка сигнала, [ 10 ] семпловая модуляция, [ 8 ] [ 11 ] [ 12 ] и запись базовой линии и вычитание помех. [ 13 ]

В случае GASMAS оптическая интерференция особенно затруднительна. [ 14 ] Это связано с сильной интерференцией спекл-типа, возникающей в результате взаимодействия лазерного света с сильно рассеивающими твердыми материалами. [ 9 ] Поскольку эти крайне неоднородные помехи генерируются в том же месте, что и сигнал сети, их невозможно устранить конструктивно. Оптические свойства исследуемого пористого материала определяют интерференционную картину, причем уровень интерференции нередко намного превышает реальные сигналы поглощения газа. Случайное механическое сглаживание (например, сглаживание лазерным лучом и/или вращение образца) оказалось эффективным в GASMAS. [ 9 ] [ 15 ] Однако этот подход преобразует стабильные помехи в случайный шум, который необходимо усреднить, что требует более длительного времени сбора данных. Запись базовой линии и вычитание помех могут быть применимы в некоторых приложениях GASMAS, как и другие методы, описанные выше.

Приложения

[ редактировать ]

Медицинская диагностика

[ редактировать ]

Видеть [ 16 ] [ 17 ]

Оптическая порометрия

[ редактировать ]

Видеть [ 18 ]

Мониторинг процессов сушки

[ редактировать ]

Видеть [ 19 ]

Фармацевтическое применение

[ редактировать ]

Видеть [ 9 ] [ 15 ] [ 18 ]

Мониторинг продуктов питания и упаковки пищевых продуктов

[ редактировать ]

Большая часть продуктов питания, которые мы потребляем сегодня, упаковывается в самые разнообразные упаковки, чтобы обеспечить качество продуктов питания и предоставить возможность их транспортировки и распределения. Многие из этих упаковок герметичны или газонепроницаемы, что затрудняет изучение состава газа без перфорации. Во многих случаях очень важно изучить состав газов, не разрушая упаковку.

Пожалуй, лучшим примером являются исследования количества кислорода в пищевых упаковках. Кислород естественным образом присутствует в большинстве продуктов питания и пищевых упаковок, поскольку он является основным компонентом воздуха. Однако кислород также является одной из основных причин или потребностей старения биологических веществ, поскольку он является источником повышения химической и микробиологической активности. Сегодня такие методы, как [Модифицированная атмосфера] (MAP) и [Упаковка в контролируемой атмосфере] (CAP), применяются для снижения и контроля содержания кислорода в упаковках пищевых продуктов с целью продления [срока хранения] и обеспечения безопасности пищевых продуктов. Чтобы гарантировать эффективность этих методов, важно регулярно измерять концентрацию кислорода (и других газов) внутри этих упаковок. GASMAS дает возможность сделать это ненавязчиво, не разрушая ни продуктов питания, ни упаковок. Два основных преимущества измерения состава газа в упаковках без перфорации заключаются в том, что в процессе контроля не тратятся продукты питания и что одну и ту же упаковку можно контролировать неоднократно в течение длительного периода времени для отслеживания любой зависимости состава газа от времени. Исследования можно использовать для обеспечения герметичности упаковок, а также для изучения процессов порчи пищевых продуктов.

Большая часть пищи сама по себе содержит свободный газ, распределенный в порах внутри. Примерами являются фрукты, хлеб, мука, бобы, сыр и т. д. Также этот газ может иметь большое значение для изучения для контроля качества и уровня зрелости (см., например, [ 20 ] и [ 21 ] ).

Спектроскопия газа, заключенного в нанопористых материалах

[ редактировать ]

Видеть [ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]

  1. ^ Сьёхольм, М.; Сомесфалин, Г.; Алнис, Дж.; Андерссон-Энгельс, С .; Сванберг, С. (1 января 2001 г.). «Анализ газов, рассеянных в рассеивающих средах» . Оптические письма . 26 (1). Оптическое общество: 16–8. Бибкод : 2001OptL...26...16S . дои : 10.1364/ол.26.000016 . ISSN   0146-9592 . ПМИД   18033492 .
  2. ^ Сильвер, Джоэл А. (20 февраля 1992 г.). «Частно-модуляционная спектроскопия для обнаружения следовых веществ: теория и сравнение экспериментальных методов». Прикладная оптика . 31 (6). Оптическое общество: 707–17. Бибкод : 1992ApOpt..31..707S . дои : 10.1364/ao.31.000707 . ISSN   0003-6935 . ПМИД   20720674 .
  3. ^ Свенссон, Томас (2008). «Борьба с оптическими помехами» (PDF) . Фармацевтические и биомедицинские применения спектроскопии в режиме миграции фотонов (кандидатская диссертация). Лундский университет, Швеция. Секта. 4.3.4.
  4. ^ Макманус, Дж. Барри; Кебабян, Пол Л. (1 марта 1990 г.). «Узкие оптические интерференционные полосы для определенных условий установки в многопроходных поглощающих ячейках типа Херриотта». Прикладная оптика . 29 (7). Оптическое общество: 898–900. Бибкод : 1990ApOpt..29..898M . дои : 10.1364/ao.29.000898 . ISSN   0003-6935 . ПМИД   20562931 .
  5. ^ Рид, Дж.; Эль-Щербини, М.; Гарсайд, Британская Колумбия; Баллик, Э.А. (1 октября 1980 г.). «Предел чувствительности перестраиваемого диодного лазерного спектрометра применительно к обнаружению NO 2 на уровне 100 ppt». Прикладная оптика . 19 (19). Оптическое общество: 3349–53. Бибкод : 1980ApOpt..19.3349R . дои : 10.1364/ao.19.003349 . ISSN   0003-6935 . ПМИД   20234619 .
  6. ^ Вебстер, Кристофер Р. (1 сентября 1985 г.). «Спойлер пластины Брюстера: новый метод уменьшения амплитуды интерференционных полос, которые ограничивают чувствительность поглощения перестраиваемого лазера». Журнал Оптического общества Америки Б. 2 (9). Оптическое общество: 1464–1470. Бибкод : 1985JOSAB...2.1464W . дои : 10.1364/josab.2.001464 . ISSN   0740-3224 .
  7. ^ Сильвер, Джоэл А.; Стэнтон, Алан К. (15 мая 1988 г.). «Уменьшение оптических интерференционных полос в экспериментах по лазерному поглощению». Прикладная оптика . 27 (10). Оптическое общество: 1914–196. Бибкод : 1988ApOpt..27.1914S . дои : 10.1364/ao.27.001914 . ISSN   0003-6935 . ПМИД   20531678 .
  8. ^ Jump up to: а б Фрид, Алан; Драммонд, Джеймс Р.; Генри, Брюс; Фокс, Джек (1 марта 1990 г.). «Уменьшение интерференционных полос в небольших многопроходных поглощающих ячейках за счет модуляции давления». Прикладная оптика . 29 (7). Оптическое общество: 900–2. Бибкод : 1990ApOpt..29..900F . дои : 10.1364/ao.29.000900 . ISSN   0003-6935 . ПМИД   20562932 .
  9. ^ Jump up to: а б с д Свенссон, Томас; Андерссон, Матс; Риппе, Ларс; Йоханссон, Йонас; Фолестад, Стаффан; Андерссон-Энгельс, Стефан (21 декабря 2007 г.). «Высокочувствительная газовая спектроскопия пористых сильнорассеивающих твердых тел» . Оптические письма . 33 (1). Оптическое общество: 80–2. дои : 10.1364/ол.33.000080 . ISSN   0146-9592 . ПМИД   18157265 .
  10. ^ Ририс, Харис; Карлайл, Клинтон Б.; Уоррен, Рассел Э.; Купер, Дэвид Э. (15 января 1994 г.). «Повышение отношения сигнал/шум в спектрометрах частотной модуляции путем цифровой обработки сигналов». Оптические письма . 19 (2). Оптическое общество: 144–146. Бибкод : 1994OptL...19..144R . дои : 10.1364/ол.19.000144 . ISSN   0146-9592 . ПМИД   19829572 .
  11. ^ Лигер, Владимир; Зыбин, Александр; Курицын Юрий; Нимакс, Кей (1997). «Диодно-лазерная атомно-абсорбционная спектрометрия методом двухлучевой — двойной модуляции». Spectrochimica Acta Часть B: Атомная спектроскопия . 52 (8). Эльзевир Б.В.: 1125–1138. Бибкод : 1997AcSpe..52.1125L . дои : 10.1016/s0584-8547(97)00029-3 . ISSN   0584-8547 .
  12. ^ Верле, П.; Лехнер, С. (1999). «ФМ-спектроскопия, усиленная штарковской модуляцией». Spectrochimica Acta Часть A: Молекулярная и биомолекулярная спектроскопия . 55 (10). Эльзевир Б.В.: 1941–1955. Бибкод : 1999AcSpA..55.1941W . дои : 10.1016/s1386-1425(99)00067-0 . ISSN   1386-1425 .
  13. ^ Верле, П.; Мюке, Р.; Слемр, Ф. (1993). «Пределы усреднения сигнала при мониторинге примесей атмосферных газов методом перестраиваемой диодно-лазерной абсорбционной спектроскопии (TDLAS)». Прикладная физика B: Фотофизика и лазерная химия . 57 (2). ООО «Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа»: 131–139. Бибкод : 1993ApPhB..57..131W . дои : 10.1007/bf00425997 . ISSN   0721-7269 . S2CID   120472037 .
  14. ^ Свенссон, Томас (2008). «Поглощающая спектроскопия газа в рассеивающих средах» (PDF) . Фармацевтические и биомедицинские применения спектроскопии в режиме миграции фотонов (кандидатская диссертация). Лундский университет, Швеция. Ч. 5.
  15. ^ Jump up to: а б Свенссон, Т.; Андерссон, М.; Риппе, Л.; Сванберг, С.; Андерссон-Энгельс, С.; Йоханссон, Дж.; Фолестад, С. (18 января 2008 г.). «Кислородная спектроскопия на основе VCSEL для структурного анализа твердых фармацевтических веществ». Прикладная физика Б. 90 (2). ООО «Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа»: 345–354. Бибкод : 2008ApPhB..90..345S . дои : 10.1007/s00340-007-2901-6 . ISSN   0946-2171 . S2CID   123165703 .
  16. ^ Перссон, Линда; Андерссон, Матс; Кассель-Энгквист, Марта; Сванберг, Катарина ; Сванберг, Суне (2007). «Газовый мониторинг в носовых пазухах человека с использованием перестраиваемой диодной лазерной спектроскопии» . Журнал биомедицинской оптики . 12 (5). SPIE-Intl Soc Optical Eng: 054001. Bibcode : 2007JBO....12e4001P . дои : 10.1117/1.2777189 . ISSN   1083-3668 . ПМИД   17994889 . S2CID   46590102 .
  17. ^ Левандер, Марта; Гуань, Цзугуан; Сванберг, Катарина; Сванберг, Суне; Свенссон, Томас (15 июня 2009 г.). «Клиническая система неинвазивного in situ мониторинга газов в околоносовых пазухах человека» . Оптика Экспресс . 17 (13). Оптическое общество: 10849–63. Бибкод : 2009OExpr..1710849L . дои : 10.1364/oe.17.010849 . ISSN   1094-4087 . ПМИД   19550485 .
  18. ^ Jump up to: а б Свенссон, Томас; Алерстам, Эрик; Йоханссон, Йонас; Андерссон-Энгельс, Стефан (17 мая 2010 г.). «Оптическая порометрия и исследование пористости, испытываемой светом при взаимодействии с пористой средой» . Оптические письма . 35 (11). Оптическое общество: 1740–2. Бибкод : 2010OptL...35.1740S . дои : 10.1364/ол.35.001740 . ISSN   0146-9592 . ПМИД   20517400 .
  19. ^ Андерссон, Матс; Перссон, Линда; Сьёхольм, Микаэль; Сванберг, Суне (2006). «Спектроскопические исследования процессов сушки древесины» . Оптика Экспресс . 14 (8). Оптическое общество: 3641–53. Бибкод : 2006OExpr..14.3641A . дои : 10.1364/oe.14.003641 . ISSN   1094-4087 . ПМИД   19516511 .
  20. ^ Л. Перссон, Б. Андерсон, М. Андерссон, М. Сьёхольм и С. Сванберг, «Исследования газообмена во фруктах с использованием методов лазерной спектроскопии», FRUITIC-05 , Симпозиум по информации и технологиям для устойчивого производства фруктов и овощей ( 2005). [1]
  21. ^ Левандер, М.; Гуань, З.Г.; Перссон, Л.; Олссон, А.; Сванберг, С. (30 сентября 2008 г.). «Мониторинг пищевых продуктов на основе диодной лазерной газовой спектроскопии». Прикладная физика Б. 93 (2–3). Springer Science and Business Media LLC: 619–25. Бибкод : 2008ApPhB..93..619L . дои : 10.1007/s00340-008-3192-2 . ISSN   0946-2171 . S2CID   73566631 .
  22. ^ Свенссон, Томас; Шен, Чжицзянь (11 января 2010 г.). «Лазерная спектроскопия газа, заключенного в нанопористых материалах». Письма по прикладной физике . 96 (2): 021107. arXiv : 0907.5092 . Бибкод : 2010ApPhL..96b1107S . дои : 10.1063/1.3292210 . ISSN   0003-6951 . S2CID   53705149 .
  23. ^ Свенссон, Томас; Левандер, Марта; Сванберг, Суне (21 июля 2010 г.). «Лазерная абсорбционная спектроскопия водяного пара, заключенного в нанопористом оксиде алюминия: уширение линии столкновения стенок и динамика газовой диффузии» . Оптика Экспресс . 18 (16). Оптическое общество: 16460–73. Бибкод : 2010OExpr..1816460S . дои : 10.1364/oe.18.016460 . ISSN   1094-4087 . ПМИД   20721033 .
  24. ^ Ян, Лин; Сомесфалин, Габриэль; Он, Парусный спорт (29 января 2014 г.). «Лазерная абсорбционная спектроскопия кислорода, заключенного в высокопористый полый сферический ксерогель» . Оптика Экспресс . 22 (3). Оптическое общество: 2584–94. Бибкод : 2014OExpr..22.2584Y . дои : 10.1364/OE.22.002584 . ISSN   1094-4087 . ПМИД   24663551 .
[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 8a99a14901f0bd257441510eb94544eb__1722002280
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/8a/eb/8a99a14901f0bd257441510eb94544eb.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Gas in scattering media absorption spectroscopy - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)