شناسایی گاز‌های خطرناک در چند ثانیه با فناوری جدید

دانشمندان روش پیشرفته‌ای به نام طیف‌سنجی فوتوآکوستیک کوارتز تقویت‌شده با کنترل همدوس توسعه داده‌اند که امکان شناسایی و تحلیل گاز‌ها در غلظت‌های بسیار پایین را با سرعت و دقت بالا فراهم می‌کند.

به گزارش خبرنگار علمی برنا به نقل از ساینس دیلی، این فناوری نوین که می‌تواند در پایش محیط‌زیست، تشخیص زودهنگام سرطان و ایمنی فرآیند‌های شیمیایی کاربرد داشته باشد، تجزیه و تحلیل گاز‌ها را در مدت چند ثانیه ممکن می‌سازد، فرآیندی که پیش‌تر به زمان بسیار بیشتری نیاز داشت.

تحولی در تشخیص گاز‌های کمیاب

پژوهشگران با ارائه روشی جدید برای شناسایی و تحلیل گاز‌های کمیاب، افق‌های تازه‌ای برای توسعه حسگر‌های حساس و بلادرنگ در حوزه‌هایی مانند پایش محیط‌زیست، تحلیل تنفس در پزشکی و کنترل فرآیند‌های شیمیایی گشوده‌اند.

این روش، که با نام طیف‌سنجی فوتوآکوستیک کوارتز تقویت‌شده با کنترل همدوس شناخته می‌شود، محدودیت‌های روش‌های موجود را پشت سر گذاشته و به گفته سیمون انگستنبرگر، سرپرست تیم تحقیقاتی دانشگاه اشتوتگارت، نیازی به دانش قبلی درباره نوع گاز موجود ندارد و محدود به گاز‌های خاص نیست.

این تیم با استفاده از این فناوری موفق به شناسایی کامل طیف متان (از ۳۰۵۰ تا ۳۴۵۰ نانومتر) در تنها سه ثانیه شدند؛ فرآیندی که معمولاً حدود ۳۰ دقیقه زمان می‌برد.

انگستنبرگر گفت: «این فناوری می‌تواند برای پایش تغییرات اقلیمی از طریق شناسایی گاز‌های گلخانه‌ای مانند متان، که عامل مهمی در تغییرات اقلیمی است، به کار رود. همچنین در تشخیص زودهنگام سرطان از طریق تحلیل تنفس و در کارخانه‌های شیمیایی برای شناسایی نشت گاز‌های سمی یا قابل اشتعال و کنترل فرآیند‌ها کاربرد دارد.»

جهشی فناورانه در طیف‌سنجی

طیف‌سنجی با شناسایی ویژگی‌های جذب نور هر ماده، از جمله گازها، آنها را تحلیل می‌کند؛ این ویژگی‌ها همچون «اثر انگشت» برای هر گاز منحصر به فرد هستند. با این حال، شناسایی سریع گاز‌ها در غلظت‌های پایین، نیازمند لیزری با قابلیت تنظیم سریع طول‌موج و یک مکانیزم حساس تشخیص است.

در این پژوهش، محققان از لیزری بسیار سریع با طول‌موج قابل تنظیم استفاده کردند که توسط شرکت Stuttgart Instruments، یک استارتاپ وابسته به دانشگاه، توسعه یافته است. همچنین از طیف‌سنجی فوتوآکوستیک کوارتز (QEPAS) به‌عنوان مکانیزم حساس تشخیص استفاده شد.

این روش از یک چنگال تنظیم کوارتز برای تشخیص جذب گاز بهره می‌گیرد که با اندازه‌گیری ارتعاشات الکترونیکی در فرکانس ۱۲,۴۲۰ هرتز، که توسط لیزر ایجاد می‌شود، گاز را شناسایی می‌کند.

انگستنبرگر توضیح داد: «هرچند کیفیت بالای چنگال تنظیم امکان شناسایی غلظت‌های پایین را از طریق تقویت تشدیدی فراهم می‌کند، اما باعث کاهش سرعت ثبت داده‌ها می‌شود. برای غلبه بر این مشکل، ما از ترفندی به نام کنترل همدوس استفاده کردیم. با تنظیم دقیق زمان‌بندی پالس‌های لیزر به‌طوری‌که نوسانات چنگال کاهش یابد، امکان ثبت سریع‌تر و دقیق‌تر داده‌ها فراهم شد.»

تحولی در سرعت شناسایی گاز‌ها

این فناوری با استفاده از طیف‌نگاری فوق سریع و تشخیص اثرات ارتعاشی و چرخشی گازها، قابلیت شناسایی بلادرنگ گاز‌ها را دارد. برخلاف روش‌های سنتی، که محدود به گاز‌های خاص یا قله‌های جذبی منفرد بودند، این فناوری طیف گسترده‌ای از ۱.۳ تا ۱۸ میکرومتر را پوشش می‌دهد و تقریباً هر گاز کمیابی را می‌تواند شناسایی کند.

پژوهشگران این فناوری را با استفاده از لیزر توسعه‌یافته توسط Stuttgart Instruments و یک سلول گازی QEPAS برای تحلیل مخلوط متان با غلظت ۱۰۰ قسمت در میلیون آزمایش کردند. آنها نشان دادند که در روش‌های سنتی، سرعت بالای اسکن باعث تاری اثر انگشت طیفی می‌شود، اما با روش کنترل همدوس، این اثر انگشت کاملاً شفاف و دقیق باقی می‌ماند.

محققان در گام بعدی قصد دارند محدودیت‌های این فناوری را بررسی کنند تا حداکثر سرعت و کمترین غلظت قابل تشخیص را تعیین کنند. آنها همچنین به دنبال استفاده از این روش برای شناسایی همزمان چندین گاز هستند.

انتهای پیام/