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De archivo: iStock Mar 28, 2019 | CORNELIA ZOGG EMPA
Trabajos de precisión para moléculas grandes.
Cortesia EMPA: Los láseres de cascada cuántica son capaces de medir las moléculas más pequeñas con alta precisión. Pero la tecnología no ha logrado medir moléculas de gas más grandes, ¡hasta ahora! Los investigadores de Empa han logrado cuantificar el etanol, una importante molécula orgánica, con la ayuda de un láser de este tipo. En colaboración con el Instituto Federal de Metrología de Suiza (METAS), un equipo de investigadores ha desarrollado con éxito un método para determinar la concentración de etanol en una mezcla de gases con una proporción muy alta de vapor de agua y dióxido de carbono.
La espectrometría láser en cascada cuántica es un método establecido para medir de manera efectiva y precisa diferentes concentraciones de gases. Hasta ahora, los dispositivos láser han sido particularmente exitosos en la medición de moléculas pequeñas, como los contaminantes gaseosos del aire o los gases de efecto invernadero. Sin embargo, los investigadores de Empa ahora han logrado optimizar un espectrómetro láser para poder medir moléculas más grandes. “Pudimos visualizar la estructura fina de la absorción infrarroja de las moléculas”, dice Lukas Emmenegger, jefe del laboratorio de Tecnología de contaminación ambiental / ambiental.
Para determinar las concentraciones de las diferentes moléculas en una mezcla de gases, un rayo láser se dispara a través de la llamada célula de reflexión múltiple en la mezcla de gases, por lo que las moléculas de gas absorben la luz del láser. Cuanto mayor sea la absorción de la luz, mayor será la concentración de las moléculas en cuestión. Para poder cuantificar moléculas más grandes, los investigadores utilizaron un láser de muy alta resolución, redujeron la presión de la muestra de gas y observaron de cerca. Como resultado, las mejores desviaciones en los espectros se hicieron visibles (ver gráfico).
Espectro de absorción de respiración simulado con un contenido de alcohol ligeramente mayor. La espectroscopia láser también se puede utilizar para visualizar estructuras finas en etanol (línea roja) que permiten mediciones selectivas y sensibles. Imagen: Óptica Express 27, 5314 (2019)
Cooperación exitosa
Este nuevo logro de los investigadores de Empa es tan exitoso que ya se está aplicando. En colaboración con el Instituto Federal de Metrología de Suiza (METAS), el equipo ha desarrollado un dispositivo que ahora se utiliza para comparar los gases de referencia utilizados para verificar los dispositivos de medición de alcohol. La concentración de etanol en el aliento sintético, una mezcla de etanol, agua, dióxido de carbono y nitrógeno, se mide con mayor precisión que con los métodos anteriores. Los instrumentos de medición de alcohol utilizados por los oficiales de policía, por ejemplo, están aprobados y calibrados por METAS. Se utilizan diferentes métodos para la producción de gases de referencia en todo el mundo.
Sin embargo, estos métodos logran resultados diferentes: esta es una solución insatisfactoria, ya que una diferencia de pocos porcentajes puede tener un gran efecto al calibrar instrumentos de medición de alcohol. Para poder garantizar resultados de medición uniformes y comparables, se requiere un método de referencia definido con precisión en Suiza, en el que se produce un gas de calibración por saturación con una mezcla de alcohol y agua.
Datos fiables y uniformes
“Con el láser de cascada cuántica, estos gases de referencia ahora se pueden comparar de manera precisa y confiable”, dice Emmenegger. Esta es una tarea importante, ya que también es relevante para los fabricantes de instrumentos saber qué mezclas de gases de referencia se están comparando. Esto puede llevar a la situación en la que el instrumento con el mismo ajuste cumple con los requisitos en un país pero no en otro, simplemente porque el país en cuestión se ajusta utilizando un método diferente. La medición confiable con el láser de cascada cuántica puede ayudar a estandarizar los sistemas de referencia para que los requisitos se puedan cumplir por igual en diferentes países.
Sin embargo, Emmenegger y su equipo ya están pensando en el futuro porque el método para medir con precisión diferentes moléculas orgánicas de diferentes tamaños ofrece una amplia gama de otras aplicaciones. Gracias al proyecto conjunto con METAS, los investigadores han podido desarrollar un enfoque que permite muchas otras aplicaciones, como el análisis médico del aire respirable o el monitoreo ambiental.
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