Utvecklar mätare av molekylära fingeravtryck

Aleksandra Foltynowicz-Matyba är fascinerad av möjligheten att mäta med hjälp av ljus. Hon använder ny teknik för att utveckla instrument som kan påvisa växthusgaser i atmosfären eller avslöja sjukdomar i utandningsluften.

Aleksandra Foltynowicz-Matyba

Dr i fysik

Wallenberg Academy Fellow 2015

Lärosäte:
Umeå universitet

Forskningsområde:
Mid-infraröd optisk frekvenskamsspektroskopi

När en laserstråle passerar genom en gas kommer olika molekyler att absorbera ljuset på olika sätt. Varje molekyl tar upp färger från just sitt spektrum.

– Om vi kan mäta hur mycket ljus som absorberas och på vilken våglängd, kan vi avgöra vilken typ av molekylärt ämne och av vilken koncentration som finns i gasen, förklarar Aleksandra Foltynowicz-Matyba.

Tusentals lasrar i en stråle

Laser är en ljuskälla som skickar strålar med stark intensitet och en färg i en bestämd riktning. Laserbaserade detektionssystem används i dag inom många olika områden. Inom industrin för att övervaka koncentrationen av gaser i förbränningsprocesser, inom klimatforskning för att mäta växthusgaser och luftföroreningar. Tekniken används också inom grundforskning och tillämpad forskning, eftersom den erbjuder en hög känslighet och precision samt korta mättider.
I början av 2000-talet kom genombrottet med optiska frekvenskammar. Det är en laser som sänder ut ljus i väldigt många färger och kan beskrivas som ett tusental lasrar i en enda stråle. Färgerna ligger med jämna mellanrum, som pinnarna på en kam.

– Frekvenskammen sänder ut alla våglängder samtidigt och kan med stor noggrannhet påvisa närvaron av väldigt små mängder av molekyler, berättar Aleksandra Foltynowicz-Matyba.

Hennes forskningsgrupp håller på att utveckla olika detektionssystem baserade på mid-infraröda frekvenskammar. Det är det ljus som vi inte kan se med egna ögon.

”Utnämningen ger mig en unik möjlighet att satsa på något större, ta risker. En framgång för mig betyder framgång för hela gruppen.”

– Mid-infrarött ljus har längre våglängder än ljus som vi kan se. Vi upplever det som värme. Det absorberas av de flesta molekylära ämnen och kan därför användas för att mäta väldigt många olika substanser, förklarar hon.

En stor del av projektet går ut på att identifiera vilka våglängder av ljus som molekyler av olika ämnen absorberar. Resultatet kan beskrivas som molekylens eget fingeravtryck.

– Vi måste veta hur ett spektrum för ett ämne ser ut för att kunna få ut information från det. Vårt arbete kommer att generera data som kan samlas i databaser som också andra forskare kan utnyttja.

En konventionell laser med bara en färg i ljusstrålen kan vanligtvis inte mäta mer än en typ av molekyler i taget. För att få hela bilden måste mätningen göras om med en laser med en annan våglängd.

– Det blir mer exakt när man mäter allt på en gång, konstaterar Aleksandra Foltynowicz-Matyba.

Tillämpningar inom miljö och medicin

Den som vill arbeta med frekvenskamsspektroskopi kan inte bara köpa en apparat och trycka på en knapp. Utrustningen måste byggas från grunden.

– Det är mycket man måste kunna, men när man gör det behärskar man väldigt många olika områden. Optik, elektronik, mekanik och programmering, förklarar Aleksandra Foltynowicz-Matyba.

Hennes grupp har precis byggt ett instrument för försök i förbränningsdiagnostik och kommer härnäst att utveckla instrument som kan mäta växthusgaser. Ett tredje projekt handlar om att påvisa olika molekyler i utandningsluft. I varje andetag släpper vi ut omkring 300 olika ämnen, de flesta i väldigt små koncentrationer. En förhöjd nivå av vissa ämnen kan länkas till en viss sjukdom.

– Vi kommer att samarbeta med forskare från olika områden inom alla dessa projekt, eftersom vi inte själva kan ta steget till exempelvis klinisk forskning.

­Utrustningen till de olika tillämpningarna kräver ganska stort utrymme. Aleksandra Foltynowicz-Matyba tror att det är möjligt att utveckla mindre instrument som ändå är robusta och har god prestanda.

– Jag hoppas kunna ta ut systemet från labbet inom projektperioden. För att mäta växthusgaser skulle det vara bra med ett instrument som kan transporteras, säger hon.

Erasmus-student

Aleksandra Foltynowicz-Matyba sökte till Umeå som utbytesstudent inom Erasmus-programmet. Hon fick ett stipendium för att stanna ytterligare ett år, gjorde sitt examensarbete och fick en doktorandtjänst.

– Som student fick man pröva mycket mer i Sverige än i Polen. Det var mer ”hands on”. Klimatet var också mer stödjande. Men jag drar fortfarande mycket nytta av den gedigna utbildningen jag fick i Polen.

Hon disputerade i laserabsorptionsspektroskopi och åkte som postdoktor till Joint Institute for Laboratory Astrophysics, JILA, vid University of Colorado i Boulder, USA. Där fanns en av världens ledande grupper inom frekvenskammar.
Efter två år återvände hon till Umeå för att starta en egen grupp.  Utnämningen till Wallenberg Academy Fellow 2015 innebär en möjlighet att låta gruppen och ambitionerna växa.

– Med detta projekt kommer vi att tänja teknikens gränser och etablera oss som en viktig aktör i spektroskopi-området, säger Aleksandra Foltynowicz-Matyba.

Text Carin Mannberg-Zackari
Foto Magnus Bergström