START Research iLABS

iLABS

Zintegrowane stanowisko do badań zastosowań laserowej spektroskopii absorpcyjnej

(integrated Laboratory of the Applied laser absorption Spectroscopy)

 

     Laserowa spektroskopia absorpcyjna stanowi perspektywiczną technologię opracowania ultra-czułych sensorów śladowych ilości substancji. Głównymi jej zaletami jest duża selektywność i czułość. Badania przy zastosowaniu LSA charakteryzują się krótkim czasem pomiaru, brakiem konieczności specjalnego przygotowania badanej próbki, możliwością prowadzenia ciągłego monitorowania obecności danych substancji. Zastosowanie precyzyjnych przestrajalnych źródeł promieniowania optycznego, detektorów promieniowania, wysokoczułych sensorów odniesienia oraz dedykowanego układu przetwarzania danych stanowi unikalne narzędzie w badaniach związanych z szeroko pojętą spektroskopią. Dzięki wykorzystaniu w jednym stanowisku wielu technik pomiarowych oraz budowie modułowej otrzymamy zintegrowany i innowacyjny system o bardzo szerokich możliwościach badawczych.    

     Zespół Detekcji Sygnałów Optycznych dysponuje naukowym stanowiskiem badawczym iLABS wyposażonym w aparaturę umożliwiającą prowadzenie unikalnych eksperymentów i pomiarów o charakterze badawczym i rozwojowym w zakresie laserowej spektroskopii absorpcyjnej. Stanowisko zostało oddane do użytku w 2012 roku. Inwestycję realizowano w latach 2008 – 2012, w ramach dotacji aparaturowej oraz projektu OPTOLAB. Inwestycja obejmowała między innymi system generatora gazów KIN-TEK 491M, oprogramowanie LabVIEW Professional wraz z zestawem do akwizycji danych pomiarowych, wyspecjalizowane generatory funkcji i impulsów synchronizujących, niskoszumowe układy zasilaczy napięciowych i prądowych, zestaw ultraczułych wzmacniaczy niskoszumowych, szerokopasmowe oscyloskopy cyfrowe oraz analizatory sygnału czasu rzeczywistego, monochromator z zestawem siatek dyfrakcyjnych i szerokopasmowymi źródłami promieniowania, przestrajalne źródło impulsowego promieniowania laserowego firmy Ekspla z analizatorem długości fali, zestawu przenośnych mierników mocy/energii promieniowania z zestawem głowic pomiarowych układów monochromatorów. W roku 2015 system został doposażony w spektrometr FTIR Nicolet iS50 do badań referencyjnych.

OPO 2

Przestrajalne źródło impulsowego promieniowania koherentnego (laserowego) firmy Ekspla

     Główne kierunki prowadzonych obecnie prac, w których stosowane jest stanowisko badawcze, dotyczą ultraczułych czujników gazów do wykrywania materiałów wybuchowych i czujników do wykrywania markerów chorób w oddechu człowieka. Są to między innymi czujniki z wnękami optycznym o dużej dobroci (metody CEAS i CRDS), czujniki z komórkami wieloprzejściowymi (np. metody WMS, TLAS), czujniki wykorzystujące efekt fotoakustyczny (metody PAS oraz QEPAS). Posiadana aparatura umożliwia badania poszczególnych elementów tych czujników, wzorcowanie opracowywanych optoelektronicznych czujników gazów oraz badanie i testowanie czujników komercyjnych wykorzystujących inne techniki wykrywania gazów.

Duże znaczenie naukowo-badawcze zbudowanego unikalnego w skali regionu i kraju stanowiska wynika z czterech kluczowych komponentów:

  • przestrajalnego impulsowego źródła promieniowania laserowego firmy Ekspla, które zostało zoptymalizowane do badań w obszarze laserowej spektroskopii absorpcyjnej,
  • modułowego systemu generacji mieszanin gazów firmy KIN-TEK, do wytwarzania referencyjnych próbek gazów o zadanym stężeniu, wilgotności i ciśnieniu,
  • monochromatora z zestawem siatek dyfrakcyjnych i źródeł promieniowania,
  • systemu spektrometrycznego do badań referencyjnych.

kintekModułowy system generacji mieszanin gazów firmy KIN-TEK

     Na stanowisku tym zrealizowano m.in. badania dotyczące wykrywania śladowych ilości gazów (np. lotnych związków chemicznych zawartych w oddechu człowieka i poszczególnych tlenków azotu w parach materiałów wybuchowych), które byłyby niezwykle trudne do zrealizowania przy wykorzystaniu innych zaawansowanych i drogich metod pomiarowych np. spektroskopii masowej lub chromatografii gazowej. Za pomocą zintegrowanego stanowiska do laserowej spektroskopii absorpcyjnej realizowane są dodatkowe prace wynikające z aktualnych potrzeb projektów naukowo-badawczych, ze współpracy z innymi jednostkami naukowymi oraz bieżących badań wykorzystywanych m.in. do:

  • adjustacji czujników gazów,
  • badań widm elektronowych i rotacyjno-oscylacyjnych,
  • kondycjonowania i wzbogacania badanych próbek gazowych,
  • badania charakterystyk spektralnych elementów optycznych czujników,
  • charakteryzacji laserów i optymalizacji laserowych układów sterowania do spektroskopii absorpcyjnej,
  • badań i optymalizacji fotoodbiorników,
  • opracowywania nowoczesnych ultraczułych czujników tlenków azotu i materiałów wybuchowych,
  • badania biomarkerów chorobowych w wydychanym powietrzu,
  • badania i testowania czujników innych gazów.

 

FTIR 1

 System spektrometryczny do badań referencyjnych z komórką wieloprzejściową 10m firmy Thermo Scientific

iLABS istotnie przyczynia się do zwiększenia efektów badań w nowych rozwiązaniach technologicznych, a w szczególności w kierunkach określonychw Krajowym Programie Badań:

  • „choroby cywilizacyjne, nowe leki oraz medycyna regeneracyjna”,
  • „bezpieczeństwo i obronność państwa”,
  • „zaawansowane technologie informacyjne, telekomunikacyjne i mechatroniczne”,
  • „nowoczesne technologie materiałowe”,
  • „nowoczesne technologie i innowacyjne rozwiązania w zakresie wykrywania, zwalczania i neutralizacji zagrożeń”,
  • „sensory i obserwacja”,
  • „broń precyzyjna i uzbrojenie”,

oraz kierunkach określonych w Krajowych Inteligentnych Specjalizacjach:

  • "Diagnostyka i terapia chorób cywilizacyjnych oraz w medycynie spersonalizowane": III. Markery/testy,
  • "Sensory (w tym biosensory) i inteligentne sieci sensorowe": III. Biosensory,
  • "Optoelektroniczne systemy i materiały".

Horiba 1

 Monochromator iHR320 firmy Horiba z zestawem siatek dyfrakcyjnych i źródeł promieniowania

     Za pomocą stanowiska wykonano wiele badań ważnych dla zdrowia i bezpieczeństwa publicznego. Opracowane sensory z powodzeniem stosowano do wykrywania materiałów wybuchowych. Przeprowadzono testy zarówno w laboratorium, jak i w terenie (np. w kopalni na głębokości ponad 1000 m). Jednak w celu wykrycia materiałów wybuchowych o małej prężności par niezbędne było opracowanie unikatowego, niespotykanego w doniesieniach literaturowych prekoncentratora do zatężania i termicznej dekompozycji par materiałów wybuchowych. Dzięki temu urządzeniu uzyskano czułość systemu umożliwiającą wykrywanie 1 ng materiałów wybuchowych takich jak: TNT, PETN, RDX, HMX. System składający się z opracowanych czujników tlenków azotu oraz prekoncentratora może być zastosowany w działaniach C-IED do wykrywania improwizowanych urządzeń wybuchowych. Dostępna aparatura wykorzystywana jest w badaniach poszczególnych elementów sensorów spektroskopowych, podczas adjustacji opracowywanych optoelektronicznych czujników gazów, badań i testowania czujników komercyjnych wykorzystujących inne techniki wykrywania gazów, a także do badań biomarkerów niewykrywalnych metodami spektrometrii mas np. tlenku azotu. Aparatura stanowiska iLABS jest także wykorzystywana w procesie dydaktycznym na wszystkich stopniach studiów do realizacji ćwiczeń laboratoryjnych oraz prac inżynierskich, magisterskich i przewodów doktorskich.