Development of a Single-shot High Signal-to-Noise Broadband Terahertz Spectrometer for Real-Time Analysis of Volatile Organic Compounds

تُعَدّ المركبات العضوية المتطايرة (VOCs) من ملوثات الهواء الخطرة التي تؤثر سلبًا على صحة الإنسان والبيئة حتى عندما تكون التراكيز منخفضة. تُميّز التقنيات الحالية لاكتشاف المركبات العضوية المتطايرة، مثل الكروماتوغرافيا الغازية وقياس الطيف الكتلي، بحساسية محدودة وقابلية للنقل وسرعة تحليل منخفضة. نقترح تعزيز قدرات الكشف باستخدام مقياس المجال الزمني لتيراهيرتز (THz-TDS) الحالي لتحسين التعرف في الموقع وتحديد كمية المركبات العضوية المتطايرة بسرعة. يعتمد هذا النهج على استخدام شبكة الحيود التي تضع شعاعًا مسبارًا أماميًا بزاوية لتكوين بوابة زمنية موزعة لرسم خرائط الحقل الكهرومغناطيسي لتيراهيرتز في عملية تصوير واحدة، مما يقلل بشكل كبير من وقت الاستحواذ مقارنة بمرحلة التأخير في المسح. بالاشتراك مع استخدام بلورات GaSe الرقيقة لتوليد واكتشاف نبضات تيراهيرتز، يمكن للأنظمة المقترحة تحسين نسبة الإشارة إلى الضوضاء وسرعة القياس وعرض النطاق الترددي لتيراهيرتز بشكل كبير مقارنة بالأنظمة التيراهيرتز التقليدية. سيوفر المطياف المُعزَز بصمات دقيقة للمركبات العضوية المتطايرة بناءً على طيف تيراهيرتز، مما سيمكن من المراقبة في الوقت الفعلي للاستخدام في مجالات جودة الهواء ومراقبة البيئة والعمليات الصناعية والتشخيص الطبي وسلامة الأغذية وفحص الأمان. سيمهد هذا المشروع الطريق لجعل التحليل بالتيراهيرتز تقنية كاشفة رئيسية للمركبات العضوية المتطايرة.

Volatile organic compounds (VOCs) are hazardous air pollutants that negatively affect human health and the environment even at low concentrations. Existing VOC detection techniques such as gas chromatography-mass spectrometry have limited sensitivity, portability, and analysis speed. We propose to enhance the detection capabilities of the current terahertz time-domain spectrometer (THz-TDS) for the rapid in situ identification and quantification of VOCs. This approach utilizes a diffraction grating that introduces a tilted front probe beam to generate a temporally distributed gate for single-shot THz E-field mapping, thereby drastically shortening the acquisition time compared to the scanning delay stage. Combining this with thin GaSe crystals for the generation and detection of THz pulses, the proposed system will not only significantly improve the signal-to-noise ratio and measurement speed but also broaden the THz bandwidth detected compared with existing THz systems. The enhanced spectrometer will provide definitive VOC fingerprints based on THz spectra, enabling real-time monitoring for applications in air quality and environmental surveillance of industrial processes, and can also be extended for the use in medical diagnosis, food safety, and security screening. This project will pave the way for THz spectroscopy as a viable mainstream VOC sensing technology.