Development and application of photofragmentation laser-induced fluorescence for visualization of hydrogen peroxides

Abstract: Popular Abstract in Swedish Utveckling och tillämpning av laserfragmentationsteknik för visualisering av väteperoxider Laserinducerad fluorescens är en etablerad optisk mätmetod för kemiskt specifik detektion och avbildning med tillämpning inom fysik, kemi och biologi. Tekniken bygger på att molekyler ska absorbera laserljus och sedan spontant sända ut ljus som kan detekteras. Det finns dock många molekyler som inte kan detekteras med hjälp av laserinducerad fluorescens. Till exempel kan bindningsenergin mellan vissa atomer i en molekyl vara så pass låg att bindningen bryts då molekylen belyses med laserljus, speciellt UV-ljus. Detta ger upphov till så kallade fotofragment. Trots att många molekyler inte kan detekteras med hjälp av laserinducerad fluorescens, utan istället bryts sönder, kan tekniken i vissa fall användas för indirekt detektion genom att detektera de fotofragment som skapas. Väteperoxid och hydroperoxylradikalen är två exempel på molekyler där den svaga bindningen mellan syreatomerna bryts vid belysning med laserljus i det ultravioletta området. De fragment som skapas, dvs OH-radikaler i väteperoxidfallet, är vanligt förekommande inom förbränning och har inom det fältet studerats med hjälp av laserinducerad fluorescens under flera decennier. Både väteperoxid och hydroperoxylradikalen är extremt viktiga ämnen inom atmosfärskemi och förbränning, men väteperoxid är på grund av sina oxiderande egenskaper även ett ämne av stor betydelse i industriella tillämpningar. Till exempel används väteperoxid för avdödning av mikroorganismer inom livsmedelsindustrin. Det föreliggande doktorandprojektet har haft syftet att utveckla en ny metod baserad på dissociering av väteperoxid och hydroperoxylradikalen följt av fragmentdetektion med hjälp av laserinducerad fluorescens. Förutom möjligheten att detektera specifika ämnen erbjuder laserbaserade mätmetoder möjligheten att mäta med extremt hög tids- och rumsupplösning. Genom att använda korta laserpulser (nanosekund eller pikosekund) kan förlopp som sker på tidsskalor så pass korta som en miljardels sekund upplösas. Hög rumsupplösning kan erhållas genom att laserstrålar fokuseras med hjälp av linser varvid rumskalor i storleksordningen en hundradels mm kan upplösas. Den utvecklade tekniken har applicerats för mätningar i fria flöden av väteperoxid vid rumstemperatur samt i en industriell testrig avsedd för studier av insprutningsförlopp inom steriliseringsindustrin. Mätmetoden har även utvärderats för mätningar i vissa typer av laboratorieflammor och mätresultaten har jämförts med teoretiska kemimodeller.