Construction and Optimization of an Apparatus for Detection of Nitric Oxide through Faraday Modulation Spectroscopy

• Main Author: Tengberg, Oskar
• Format: Others
• Language: English
• Published: Umeå universitet, Institutionen för fysik 2015
• Subjects: laser; spectroscopy; nitric; nitrogen; oxide; monoxide; faraday; modulation
• Online Access: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:umu:diva-112139

Faraday modulation spectroscopy (FAMOS) is a technique for detection of paramagnetic molecules. By applying a magnetic field over a gaseous sample, the presence of paramagnetic species will rotate the polarization plane of light, addressing a transition in such a species. By placing a gas containing paramagnetic molecules between almost crossed polarizers and modulating the magnetic field, the intensity of the transmitted light will consequently be modulated. Since the rotation of the polarization plane of light is proportional to the concentration of species, this technique can be used for quantitative analysis of paramagnetic molecules. Since FAMOS is solely sensitive to paramagnetic molecules it is superior to many other types of laser-based detection techniques, drastically decreasing various types of noise, background signals, as well as signals from other molecules; e.g. flicker noise, etalon effects and signals from water and CO2 molecules. An experimental setup for detection of nitric oxide (NO) by FAMOS has been developed and optimized. This system is based on a quantum cascade laser emitting light at 5.331 μm, addressing the—for FAMOS—most sensitive transition in NO, Q3/2(3/2). Optimized parameters include a pressure of 60 mbar, a magnetic field of 190 G and a polarizer uncrossing angle of 0.75°. In its present configuration, this system has demonstrated a detection of NO down to 200 ppb for a detection rate of 10 measurements per second. It is very possible that the limit of detection is even lower than this number since this lowest acquirable concentration is limited by the specifications of the gas mixer. A standard deviation between subsequent measurements, of 15 s time separation, is calculated to 30 ppb. However, this is far from the expected ultimate detection limit of this system and this technique in general. One process that causes a weakening of the signal is outgassing. When measuring on an emptied system this phenomenon is greatly reduced and a standard deviation of measurements is then measured and calculated to 7.6 ppb. The detection limit is presumed to be in the very low ppb, or sub-ppb, regime and this limit should be obtainable by further optimization of the system. === Gasen kvävemonoxid är en restprodukt vid förbränning av fossila bränslen, men den återfinns också i människokroppen som en signalsubstans. I stora mängder är den giftig då den interagerar med cellandningen och påverkar arvsmassan. I kombination med syre övergår den sakta till gasen kvävedioxid som i sin tur övergår till salpetersyra. Detta innebär att det är viktigt att kunna detektera denna gas i miljöer där risk för spridning kan anses vara stor. Kvävemonoxid används inom sjukvården som inhalationsgas för tidigt födda barn. Den förekommer även i ökad koncentration i utandningsluft hos människor med astma, Alzheimers eller Parkinsons sjukdom. Därmed finns det också ett intresse av att kunna mäta denna noggrant inom sjukvården, för att ge rätt dosering av gasen samt för att enklare kunna ställa korrekta diagnoser. Att mäta koncentration av kvävemonoxid görs ofta på kemiska vägar. Då detta är tidskrävande finns det anledning att utveckla nya och snabbare sätt att detektera denna gas. En effektiv teknik för att mäta kvävemonoxid är Faraday-moduleringsspektroskopi, FAMOS. Denna teknik bygger på att man med ett magnetfält, genom den så kallade Faradayeffekten, utnyttjar somliga fysikaliska egenskaper hos just kvävemonoxid, för att vidare bestämma dess mängd. FAMOS möjliggör mätningar i realtid och har en låg minsta detektionsgräns i jämförelse med andra laserbaserade tekniker. Framtidsutsikterna för denna teknik är mycket goda och möjligheterna utökas allt eftersom optisk utrustning förbättras. Denna rapport ger grunderna för FAMOS och den jämförs speciellt med en mer konventionell laserbaserad spektroskopisk teknik, våglängdsmodulering. Avhandlingen beskriver dessutom konstruktionen av ett FAMOS-system som baseras kring en kvantkaskadlaser vilken verkar med infrarött ljus på den, för kvävemonoxid, optimala energiövergången.