INO
CNR
vai_a_storia   vai_a_organizzazione   vai_a_sedi   vai_a_personale   Area Riservata
    English English Version  
 
 

Trasparente

alla Macro Area: MATERIA FREDDA & OTTICA QUANTISTICAalla Linea di Ricerca: Spettroscopia Atomica e Molecolare
Spettroscopia cavity ring-down in assorbimento saturato (SCAR) per rivelazione ottica di radiocarbonio

Il radiocarbonio (14C), l' "orologio naturale" per datare materia organica, è un atomo molto sfuggente. La sua concentrazione è di circa una parte per trilione. Da oltre 30 anni, la spettrometria di massa con acceleratore (AMS) è stata adottata come metodo standard per datare campioni organici tramite il radiocarbonio. La AMS richiede una minore massa di carbonio e tempi di misurazione più brevi rispetto al vecchio metodo standard di conteggio con scintillazione in fase liquida. Tuttavia, la AMS richiede impianti sperimentali enormi, costosi e con elevata manutenzione.
Abbiamo sviluppato una tecnica di spettroscopia laser che è abbastanza sensibile da rilevare le molecole di biossido di radiocarbonio a concentrazioni molto basse, con una configurazione completamente ottica che è ordini di grandezza più compatta e meno costosa della AMS. Il nuovo approccio, denominato SCAR (cavity ring-down in assorbimento saturato), fa uso della saturazione dell'assorbimento molecolare per migliorare la risoluzione e la sensibilità rispetto alla spettroscopia cavity ring-down tradizionale. Combinando lo SCAR con una sorgente coerente CW riferita a un pettine di frequenze, che fornisce radiazione accordabile (intorno a 4.5 μm di lunghezza d'onda) attraverso generazione di frequenza differenza (DFG), abbiamo potuto raggiungere un limite senza precedenti nella rilevazione di gas in traccia, arrivando fino a concentrazioni di parti per quadrillione (10-15). I risultati basati sullo SCAR sono attualmente quasi un ordine di grandezza meno sensibili della AMS, ma c'è ancora spazio per migliorare. Inoltre, lo SCAR ha una gamma dinamica più ampia della AMS, che comprende più di 5 ordini di grandezza in valori di concentrazione misurabili.
Uno studio di fattibilità per la datazione al radiocarbonio mediante spettroscopia laser infrarossa è stato pubblicato oltre 30 anni fa. Siamo recentemente riusciti a misurare l'area spettrale della riga di assorbimento bersaglio selezionata della specie isotopica 14C 16O2, ricavando così la concentrazione assoluta di anidride radiocarbonica. Abbiamo compiuto ciò sfruttando le caratteristiche uniche del nostro apparato sperimentale e basandoci su un forte assorbimento molecolare nel medio infrarosso.
La tecnica SCAR inizia con una cavità ottica riempita di CO2, che è illuminata con un laser CW intenso accordato per eccitare una transizione molecolare bersaglio del 14C16O2. Quando il laser viene spento, i fotoni accumulati nella cavità decadono a causa dell'assorbimento del 14C16O2 e delle perdite degli specchi. Poiché l'intensità della luce satura la capacità del 14C16O2 di assorbirla, gli istanti iniziali di decadimento sono influenzati soltanto dalle perdite degli specchi. Una volta che sottraiamo tale fondo, possiamo determinare la quantità assoluta di 14C16O2 dall'assorbimento molecolare lineare, presente nella coda del decadimento.
I nostri risultati aprono la strada ad una nuova tecnica di datazione completamente ottica, passando dalla rivelazione di ioni accelerati di alta energia (MeV) all più comoda rivelazione di fotoni assorbiti di bassa energia (0.25 eV). Questa tecnica può essere usata per rivelare molecole estremamente rare con miriadi di applicazioni in molti campi.


Apparato sperimentale per la rivelazione di anidride radiocarbonica, sensibilie fino a 43 parti per quadrillione.
Personale INO:

Dipendenti: De Natale Paolo, Bartalini Saverio, Borri Simone, Cancio Pastor Pablo, Mazzotti Davide, Barucci Marco, Montori Alessio, Galli Iacopo

Assegnisti/Dottorandi/Borsisti: Campo Giulio, Cappelli Francesco

UOS/Laboratorio INO:
Sezione INO di Sesto Fiorentino presso il LENS
Area/e Applicativa:
Beni Culturali, Energia & Ambiente, Scienze della Vita & Salute, Sicurezza, Metrologia & Sensori
Finanziamento da Progetti:
- Title: Aerotrazione con BioCarburanti (Acronym: ABC)
- Title: Misura Ottica dell'anidride RadioCarbonica nell'atmosferica del plateau Antartico (Acronym: ORCA)
Principali Prodotti della Ricerca associati:
1) Spectroscopic detection of radiocarbon dioxide at parts-per-quadrillion sensitivity su Optica (2016) di Galli I., Bartalini S., Ballerini R., Barucci M., Cancio P., De Pas M., Giusfredi G., Mazzotti D., Akikusa N., De Natale P. (Articolo su Rivista JCR/ISI)
2) Theory of saturated-absorption cavity ring-down: radiocarbon dioxide detection, a case study su Journal Of The Optical Society Of America B-optical Physics (2015) di Giusfredi G., Galli I., Mazzotti D., Cancio P., De Natale P. (Articolo su Rivista JCR/ISI)
3) Optical detection of radiocarbon dioxide: first results and AMS intercomparison su Radiocarbon (2013) di Galli I., Bartalini S., Cancio P., De Natale P., Mazzotti D., Giusfredi G., Fedi M. E., Mandò P. A. (Articolo su Rivista JCR/ISI)
4) Molecular gas sensing below parts per trillion: radiocarbon-dioxide optical detection su Physical Review Letters (2011) di Galli I., Bartalini S., Borri S., Cancio P., Mazzotti D., De Natale P., Giusfredi G. (Articolo su Rivista JCR/ISI)
5) Saturated-absorption cavity ring-down spectroscopy su Physical Review Letters (2010) di Giusfredi G., Bartalini S., Borri S., Cancio P., Galli I., Mazzotti D., De Natale P. (Articolo su Rivista JCR/ISI)
Altri Prodotti della Ricerca associati: 19

INO © Istituto Nazionale di Ottica - Largo Fermi 6, 50125 Firenze | Tel. 05523081 Fax 0552337755 - P.IVA 02118311006     P.E.C.    Info