hamed.muhammed@sth.kth.se
Spektrometri (eller spektroskopi) handlar om att mäta hur ljus (eller andra elektromagnetiska vågor) förändras när det passerar genom ett material. Genom att titta på skillnaden mellan ljuskällans spektrum och ljusets spektrum efter att ha passerat igenom materialet kan man härleda olika egenskaper i materialet som man analyserar. Mätningarna gör man vanligen med ett instrument som kallas för en spektrometer.
Det här caset handlar om en förbättring av en central komponent i en spektrometer, ett gitter, som gör att man både kan konstruera nya, mindre och billigare spektrometrar och även få ut mer information om det man mäter på än vad som är möjligt med existerande spektrometrar.
Så funkar det
Det finns två huvudtekniker för spektrometri. Man kan antingen generera ett spektrum direkt eller producera ett interferensmönster som sedan kan transformeras matematiskt (genom Fouriertransformation) till ett spektrum. En fördel med Fouriertransform (FT) tekniken är att den ger mätningar med högre SNR (signal till brus förhållande) samt högre spektral upplösning.
Det innovativa i det här caset är att gittret (även kallat interferometer) i spektrofotometern består av är ett par konvexa speglar som genererar ett interferensmönster (som omvandlas till ett spektrum) när man skickar elektromagnetiska vågor på dem. Om man jämför den här tekniken med de existerande FT-teknikerna ser man att detta är den enda 100% reflekterande lösningen, dvs. utan brytningsfel som uppstår när vågsignalerna transmitteras igenom material med olika brytnings index. Det är också lättare att konstruera speglar som kan reflektera olika elektromagnetiska vågor än att försöka göra och använda linser, prismor eller andra transmitterande komponenter istället. Därför existerar ingen spektrometer som kan mäta simultana spektra inom ex.vis IR (dvs. värmestrålar) och ultraljuds områdena.
Detta nya reflekterande gitter är betydligt enklare att designa (har enklare och grövre struktur) och billigare att tillverka (processer med mindre precision kan användas) än andra typer av gitter som används i andra spektrometrar. Dessutom kan man lätt och billigt designa nya gitter för vågsignaler som man inte kunde designa gitter för med de gamla teknikerna (t.ex. vis IR, mikrovågor, röntgen och ultraljud).
En annan intressant egenskap är att detta gitter är mycket mindre än existerande lösningar och inte kräver lika starka signaler som traditionella gitter. Detta gör att även andra komponenter i spektrometern kan göras mindre.
Möjligheter
Med det nya gittret är det möjligt att reflektera alla typer av vågsignaler (synligt, ultraviolett, nära infrarött (NIR), infrarött (IR), mikrovågor, röntgen och ultraljud) vilket öppnar för att man kan konstruera spektrometrar för väldigt många tillämpningar. Inom de flesta våglängdsområden finns det många tillämpningar idag, till exempel inom medicinsk diagnostik, färganalyser, miljöövervakning, livsmedelskontroll, processövervakning i industrin, mm.
Särskilt intressant är IR- och ultraljudsspektrometri eftersom det öppnar för helt nya tillämpningsområden. Faktum är att det överhuvudtaget inte existerar någon ultraljudsspektrometer idag och inom IR-spektrometri skulle denna teknik kunna revolutionera området då simultana mätningar blir enkla att genomföra. Inom dessa områden skulle spektrometri kunna komplettera och även ersätta befintliga tekniker som mammografi (röntgen), funktionell magnet resonans avbildning (fMRI), singel foton emission tomografi (SPECT) och positron emission tomografi (PET), och nuklear magnet resonans (NMR) spektroskopi. Det finns även många tillämpningar inom till exempel materialanalyser för industriella ändamål, exempelvis för att undersöka flygplanskropp och vingar med ultraljudsspektra, undersöka asfalten på vägarna eller på landningsbanan på flygplatsen med röntgenspektra, hitta minor med IR-spektra, mm.
Andra möjligheter som den nya tekniken ger är att:
Man kan mäta signaler som varierar (snabbt) över tiden tack vare det simultana högupplösta spektrat som fås. Detta är exempelvis bra om man vill studera rörliga målobjekt, eller kortvariga fenomen såsom blixtar. Samma sak gäller om man vill göra en mätning med blixtljus.
Det går att zooma in en viss del av elektromagnetiska spektrumet genom att t.ex. förflytta sensorerna lite närmare eller bort från gittret. Detta är användbart om man behöver öka den spektrala upplösningen för ett visst våglängdsintervall och följaktligen öka noggrannheten. Ett exempel kan vara att man först vill detektera vilka substanser/ ämnen som finns i en lösning, och sedan fokusera på mätningarna av varje ämne för sig och försöka estimera dessa koncentrationer med hög noggrannhet.
Man kan göra kompaktare spektrometrar med samma eller till och med bättre prestanda än vad man har idag. Det skulle gå att göra mini- eller mikrospektrometrar som kan monteras i helt nya sammanhang, eller kanske till och med en spektrometer som man kan bära med sig i fickan och genomföra spektrala mätningar direkt där det behövs, t.ex. mäta fett- och blodvärden på sig själv, eller kolla om äpplet är surt eller sött.
Det finns alltså väldigt många potentiella användningsområden för den här teknologin. Men vilket är mest attraktivt?