Modelling of alcohol detection using THz continuous wave ATR spectroscopy

Abstract

The main objective of this work is the modelling of an attenuated total reflectance (ATR) cell for the detection of alcohols using terahertz (THz) spectroscopic techniques. As a first step, a model to simulate an ATR cell is built. It allows to distinguish alcohols from water, and one alcohol from another. The model has been tested simulating continuous wave spectroscopy with isopropanol, ethanol and water. Consequently, an overview of the main spectroscopic techniques used in THz studies is done in this work. To model the samples used in the simulation the Debye relaxation model is introduced, which describes the electric permittivity of the materials. As a result, the model built in this thesis, shows higher reflection of the THz radiation from the alcohols than from the water. Then the simulations have been compared with earlier studies. The results are consistent with the studies regarding to molecular sizes and reflection of the radiation. However, there are some mismatches when comparing precise values of the reflected field. Thus, a model to simulate the interaction of the ATR cell with the surrounding environment is proposed. Future lines have been written to improve the model with the aim to simulate the whole process of spectroscopy. By this way the simulation model can be built more close to the real nature of the reflection spectroscopy techniques.

El principal objetivo de el trabajo es el modelado de una celda ATR para la detección de alcoholes usando espectroscopia en la región de los THz. El primer paso ha sido construir un modelo para diferenciar alcoholes, agua y un alcohol de otro. El modelo se ha probado con isoporopanol, etanol y agua. Consecuentemente se han estudiado las diferentes técnicas de espectroscopia usadas con THz y se ha hecho una introducción al modelo de Debye para describir la permitividad de los materiales. Como resultado el modelo construido muestra mayor reflexión de la radiación por parte de los alcoholes. La simulación se ha comparado con estudios previos. Los resultados son congruentes con los estudios en cuanto a las dimensiones de las moléculas y la reflexión de la radiación. Hay ciertas incongruencias en cuanto a los valores concretos del campo eléctrico reflejado. Consecuentemente se ha propuesto un modelo para simular la interacción con los alrededores de la celda ATR. Se han escrito lineas futuras para mejorar el modelo con el objetivo de simular todo el proceso de espectroscopia. De esta manera construir un modelo mas fiel a la naturaleza de las técnicas de espectroscopia de reflexión.

El principal objectiu del treball es el modelatge d'una cel·la ATR per la detecció d'alcohols usant espectroscòpia en la regió dels THz. El primer pas ha sigut construir un model per diferenciar alcohols, aigua i un alcohol de l'altre. El model s'ha provat amb isopropanol, etanol i aigua. Conseqüentment s'han estudiat les diferents tècniques d'espectroscòpia utilitzades amb THz i s'ha fet una introducció al model de Debye per descriure la permitivitat dels materials. Com a resultat, el model construït mostra una major reflexió de la radiació THz per part dels alcohols. La simulació s'ha comparat amb estudis previs. Els resultats són congruents amb els estudis per el que ffa a les dimensions de les molècules i la reflexió de la radiació. Tot i així hi ha certes incongruències per el que fa a les mesures de valors concrets del camp elèctric reflectat. Conseqüentment s'ha proposat un model per simular la interacció amb els voltants de la cel·la d'ATR. S'han escrit futures línies per millorar el model amb l'objectiu de simular tot el procés d'espectroscòpia. D'aquesta manera construir un model més fidel a la naturalesa de les tècniques d'espectroscòpia de reflexió.