Laser Absorption Spectroscopy of Gas in Scattering Media

Abstract

Absorption spectroscopy constitutes a chemical analysis tool which can be applied to various samples and application fields. This thesis focuses on gas absorption spectroscopy with the means of diode lasers - tunable diode laser absorption spectroscopy, TDLAS. In particular, the absorption of gases inside porous scattering solids and liquids, referred to as GASMAS - gas in scattering media absorption spectroscopy, has been studied. The spectrally sharp wavelength from a diode laser is scanned over the absorption fingerprint of the studied gas, and the transmitted intensity is detected. Although the light is heavily absorbed and scattered by the bulk material, the gas absorption imprint can still be distinguished. The free gas, in contrast to the bulk material which is made out of perturbed molecules, exhibits narrow absorption lines and its absorption can thus be isolated although the light has been heavily absorbed by the solids and liquids. The diffuse light propagation demands alternative solutions to extract gas concentration, which otherwise is obtained through the Beer-Lambert law using the interaction distance. Water vapor sensing in samples with liquid water present has shown to be a feasible way to achieve information about the effective distance through gas inside the sample even though the light is heavily scattered.



Applications studied in this thesis work include gas sensing within the human body for medical diagnostics, gas monitoring inside food packages for quality assurance, and fundamental studied of gas in nanoporous ceramics.



Investigations of GASMAS as a diagnostic tool for the paranasal sinuses, subject to the common rhinosinusitis have been carried out. Correlation between obstruction and ventilation of the sinuses diagnosed by computer tomography and GASMAS data has been demonstrated. Diagnostic useful data from the air cell system in the mastoid bone, located behind the ears, have also been obtained. Furthermore, possibilities of gas sensing in the lungs of premature born babies have been demonstrated in a feasibility study on a realistic model made out of animal lung tissue and gelatin based phantoms.



Sensing of the gas non-intrusively by GASMAS has been demonstrated on packages of minced meat, bread as well as on the headspace of translucent containers with milk or orange juice. Food packages are to an increasing extent filled with a modified atmosphere where the O2 concentration is suppressed. Traditional gas detectors for food packages are intrusive or demand direct optical access. GASMAS constitutes an alternative interesting approach with high potential.



Gas detection in nano-porous samples allows fundamental studies of the gas molecules. Broadening of absorption lines of O2 and H2O due to tight confinement in nano pores in ceramics has been studied, as well as diffusion of the gases. In addition to fundamental physical interest the study of broadening and diffusion allows for assessment of material parameters.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Ljus växelverkar med materia på ett mycket specifikt sätt och är anledningen till att saker har färger, himlen är blå, vår spegelbild reflekteras i en spegel och att solljus kan delas upp i en regnbåge genom vattendroppar. Läran om hur ljus växelverkar med material - spektroskopi - används inom astronomi, kemi, fysik och medicin. Absorptionsspektroskopi studerar just hur olika material absorberar elektromagnetisk strålning, och gör det möjligt att avbilda genom röntgenstrålning och kvantitativt bestämma gaser i atmosfären. Inom kemisk analys är absorption av ljus (UV, synliga och IR området) ofta använt. Varje atom och molekyl absorberar ljus på ett unikt sätt, vilket är ett resultat av dess inre struktur. Övergångar mellan de diskreta energinivåerna, ett resultat av kvantmekaniken, leder till absorptionslinjer. Då ljus absorberas av en molekyl exciteras denna, vilket innebär att den ändrar sin elektronkonfiguration, d.v.s. elektronorbital, vibration och/eller rotation.



Denna avhandling avser absorptionspektroskopi genom att studera absorptionen av ljus emitterat från diodlasrar - diodlaserspektroskopi. Laserljus är en ytterst lämplig ljuskälla för absorptionsspektroskopistudier då ljuset från en laser har alldeles specifika egenskaper. Särskilt intressant är diodlasern för absorptions-spektroskopi, då den är svepbar. Diodlasern består av ett halvledarmaterial som man skickar en ström igenom. Genom att ändra diodlaserns temperatur eller drivström så ändras den utsända våglängden - man kallar detta att diodlasern är svepbar i våglängd. Typiskt sveps våglängden över en absorptionslinje av den studerade gasen genom att strömmen till diodlasern snabbt rampas. Diodlasrar är kompakta små enheter, som är enkla att styra och reglera, vilket ytterliggare bidragit till deras stora användning inom absorptionsspektroskopi.



Avhandlingen syftar till utveckling av diodlaserspektroskopitekniken och ett särskilt fokus har varit att studera gaser inutifasta prover som sprider och absorberar ljus kraftigt. Spridning innebär att ljusets utbredningsriktning ändras, jämför t.ex. laserljus som passerar genom ett glas med vatten (det går rakt igenom) och laserljus som går genom ett mjölkglas (det blir diffust). Möjligheten att mäta gas fastän den är lokaliserad inuti ett fast absorberande och spridande material är en relativt ny diodlaserspektroskopiteknik (har funnits i 10år) och har givits namnet GASMAS - gas in scattering media absorption spectroscopy. Den fundamentala skillnaden mellan GASMAS och traditionell diodlaserspektrosopi är att ljuset inte går rakt igenom provet och växelverkar med gasen, utan istället studsar runt inuti provet och växelverkar med gas när det stöter på denna. Den diffusa ljusutbredningen som spridningen orsakar leder till att vägsträckan genom gas är okänd och att endast mycket små mängder ljus kan detekteras. Klassiskt används vägsträckan för att bestämma koncentrationen på gasen genom Beer-Lamberts lag. Den okända gas-väglängden i GASMAS-fallet leder till en mer komplex koncentrationsanalys. För att detektera det spridda ljuset används en detektor med stor känslig yta, 25 { 400 mm2. Typiskt detekteras 1 nW { 1 µW då laserljus med e_ekten 0.5 { 1 mW sänds in i provet. Tranmissionen av provet är en avgörande begränsning för GASMAS-tekniken. Möjligheten att detektera absorptionen från gasen (typiskt absorberas 1 av 10 000 fotoner) fastän provet kraftigt absorberat och spritt ljuset beror på att gasen spektralt sett absorberar mycket skarpare än bulkmaterialet. Till skillnad från fria molekyler - gas - upplever molekyler i ytande och fast fas störningar av närliggande molekyler vilket gör att deras absorption blir mer bredbandig. I detta avhandlingsarbete har GASMAS-tekniken undersökts för medicinsk diagnostisering, livsmedelsförpackningsanalys samt fundamentala gas- och material-studier. Gasmonitorering i människokroppen är begränsad till vävnadens transmission av ljus och tillgängliga absorptionslinjer. Vävnad absorberar ljus kraftigt, men i området från 600 nm till 1400 nm (optiskt vävnadsfönster) är det möjligt för ljus att passera igenom. Inom det optiska vävnadsfönstret har syre, O2, och vattenånga, H2O, absorptionslinjer och kan därmed bli detekterade. I detta avhandlingsarbete visas hur detektion av O2 och H2O i mänskliga käk- och pann-bihålor samt gaskaviteter i mastoidbenet, med hjälp av icke-invasiv GASMAS-teknik ger

klinisk relevant information. Mastoidbenet, lokaliserat bakom örat, är en gasfylld benstruktur som kan bli igensatt vid sjukdom. Bihålorna som i ett friskt tillstånd är gasfyllda kavitier som ventileras via näskaviteten blir i ett sjukligt tillstånd blockerade och igensatta. Inga enkla tillförlitliga diagnostiseringsmetoder finns vilket leder till stora överförskrivningar av antibiotika. GASMASteknikens icke-invasiva natur och kompakta instrumentering utgör ett intressant alternativ med stor klinisk användbarhet. Genom en klinisk studie, då GASMAS-data och annan klinisk data (utvärdering av datortomoga_bilder) jämförts, har god korrelation av diagnostisk överensstämmelse visats. Absorptionen av H2O ger hur stor gasmängd som laserljuset gått igenom (koncentrationen av H2O är känd eftersom gasen är mättad med vattenånga och kroppstemperaturen är känd) - d.v.s. relaterar till hur stor gasmängd som _nns i bihålan. Genom att använda denna kända parameter (vägsträcka genom gas) är det möjligt att extrahera O2-koncentrationen i bihålan genom att mäta O2- och H2O-absorptionen simultant. Vidare har GASMAS-tekniken undersökts som möjlig metod för att monitorera gas i lungorna hos för tidigt födda barn – ett högst kritiskt fall som skulle nyttjas av en icke-invasiv teknik. GASMAS-mätningar har utförts på en realistisk modell bestående av lungvävnad från djur och gelatinfantomer (med absorbtion och spridning som vävnad), i rimliga dimensioner. Resultaten visar att gasmonitorering av för tidigt födda barns lungor bör vara möjligt både i transmissions- och reflektions-geometri. Att mäta gasen i livsmedelsförpackningar utan att punktera dem är en annan intressant applikation av GASMAS-tekniken. Behovet att mäta gas i förpackningar är stort då många livsmedel förpackas i en modifierad atmosfär, d.v.s. syrekoncentrationen är reducerad. Med diodlaserspektroskopi är det möjligt att mäta gasen i en förpackning om det finns fri optiskt tillgång, d.v.s. en passage där ljuset kan gå rakt igenom. GASMAS-tekniken expanderar användingsområdet till förpackningar där ljuset kan gå genom spridande förpackningsmaterial och livsmedel. Demonstration av tekniken har gjorts genom köttfärspaket och bröd paketerade i en modifierad atmosför. Ytterliggare har studier av gas inuti mjölkpaket och olika syrgasinnehåll för juice-paket med olika hållbarhetsdatum utförts. Analys av gas i nanoporösa material är en ny applikation av GASMAS. Ljusabsorptionen av den instängda gasen påverkas av molekylernas kollisioner med väggarna, vilket leder till breddning av absorptionslinjerna. Förutom fundamentala intressanta aspekter, ger denna breddning också möjlighet att studera materialegenskaper, såsom porstorlek.

• author: Lewander, Märta
• supervisor: Sune Svanberg
• opponent: Professor Sigrist, Markus, ETH, Institute for Quantum Electronics, Zurich, Schweiz
• organization: Atomic Physics
• publishing date: 2010
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Atom and Molecular Physics and Optics
• keywords: medical diagnosis, gas analysis, absorption spectroscopy, diode laser spectroscopy, light scattering, food-package monitoring, GASMAS
• in: Lund Reports on Atomic Physics
• volume: 424
• pages: 232 pages
• defense location: Lecture hall B, Department of Physics, Sölvegatan 14 A, Lund University Faculty of Engineering
• defense date: 2010-12-17 10:15:00
• ISSN: 0281-2762
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 7264cdad-38ba-4146-b0b7-5b6d9519bd7c (old id 1718656)
• date added to LUP: 2016-04-01 14:50:05
• date last changed: 2019-05-21 18:00:41