Detekcija plina pomoću obogaćene fotoakustičke spektroskopije

U nedavnom članku objavljenom u časopisu Sensors and Actuators B: Chemical, istraživači su predstavili inovativnu metodu nazvanu obogaćenom fotoakustičkom spektroskopijom (PAS). Ova tehnika poboljšava osjetljivost PAS-a na detekciju plina upotrebom vertikalnog grafena (VG) kao materijala za obogaćivanje.

Studija je istraživala VG-ov potencijal za poboljšanje granice detekcije dušikovog oksida (NO) u plinskim smjesama, s ciljem stvaranja osjetljivijeg i preciznijeg sustava za praćenje onečišćenja zraka i neinvazivnu medicinsku dijagnozu.

Uvod

Detekcija plina ključna je za praćenje kvalitete zraka, zaštitu okoliša, industrijsku sigurnost i medicinsku dijagnozu. Među tradicionalnim metodama detekcije plina, kao što su elektrokemijski senzori, poluvodički senzori, plinska kromatografija i optičke tehnike, optičke metode privlače pažnju zbog svoje visoke osjetljivosti, brzog odziva i sposobnosti u stvarnom vremenu.

PAS je široko korištena optička tehnika za detekciju plinova. Mjeri zvučne valove koji nastaju kada molekule plina apsorbiraju modulirano svjetlo. Snaga PAS signala ovisi o snazi ​​svjetlosti i koncentraciji plina.

Međutim, povećanje snage svjetla može dovesti do zasićenja ili oštećenja detektora, a povećanje koncentracije plina može biti nepraktično. Stoga je povećanje koncentracije plina prije nego što stigne do PAS senzora bitno za poboljšanje osjetljivosti detekcije.

O istraživanju

Autori su predložili novu metodu koja koristi VG kao materijal za obogaćivanje u cilju povećanja koncentracije uzoraka plina prije nego što dođu do PAS senzora. VG se sastoji od grafenskih nanoploča okomitih na podlogu, tvoreći gustu strukturu poput šume. Velika površina VG-a i visoka kemijska reaktivnost čine ga pogodnim za apsorpciju i desorpciju molekula plina.

Istraživači su dizajnirali ćeliju za obogaćivanje s VG i integrirali je sa PAS senzorom posebno za otkrivanje NO, štetnog plina koji može uzrokovati onečišćenje zraka i razne bolesti.

Ćelija za obogaćivanje bila je opremljena sustavom grijanja i ventilima za kontrolu protoka plina i radila je kroz tri faze: osvježenje, obogaćivanje i mjerenje. Tijekom faze osvježavanja, VG je adsorbirao molekule NO iz mješavine plinova. U fazi obogaćivanja, VG je zagrijan na 150 °C kako bi se oslobodio NO, povećavajući njegovu koncentraciju u ćeliji. U fazi mjerenja, ova obogaćena plinska smjesa je poslana na PAS senzor na detekciju.

Za PAS senzor, studija je koristila kvantni kaskadni laser s distribuiranom povratnom spregom (DFB-QCL) valne duljine od 5263 nm kao izvor pobudne svjetlosti. Ovaj je laser bio precizno podešen na NO apsorpcijsku liniju od 1900,08 cm⁻¹.

Koristeći tehniku ​​2f spektroskopije modulacije valne duljine (2f-WMS), istraživači su rekonstruirali apsorpcijsku liniju NO i demodulirali PAS signal. Diferencijalna fotoakustička ćelija, opremljena s dva mikrofona, mjerila je nastale zvučne valove.

Rezultati istraživanja

Autori su optimizirali dubinu modulacije laserske struje kako bi maksimizirali PAS signal. Otkrili su da je optimalna dubina modulacije 14 mA. Također su testirali ponovljivost i dosljednost procesa obogaćivanja provodeći tri mjerenja pod identičnim uvjetima. Tijekom faze mjerenja, PAS signal se povećao u usporedbi s fazama osvježavanja i obogaćivanja, pokazujući učinkovitost metode obogaćivanja.

Kako bi procijenili izvedbu senzora, istraživači su procijenili linearnost i osjetljivost PAS senzora sa i bez obogaćivanja. Koristili su sustav za razrjeđivanje plina za pripremu različitih koncentracija NO u rasponu od 0 do 1000 dijelova na milijardu (ppb).

Rezultati su pokazali linearni odnos između PAS signala i koncentracije NO u oba scenarija. Međutim, s metodom obogaćivanja, osjetljivost senzora poboljšana je za red veličine. Minimalna granica detekcije PAS senzora bila je 14 ppb bez obogaćivanja i 1,3 ppb s obogaćivanjem, što je rekordna vrijednost za detekciju NO korištenjem tehnika temeljenih na PAS.

Aplikacije

Predložena PAS metoda poboljšanog obogaćivanja može se proširiti za otkrivanje drugih plinova u tragovima koje VG može adsorbirati i desorbirati, kao što su ugljikov monoksid, sumporovodik, amonijak i hlapljivi organski spojevi.

Dodatno, ova se metoda može integrirati s drugim tehnikama koje se temelje na PAS-u, poput PAS-a poboljšanog kvarcom i PAS-a poboljšanog konzolom, kako bi se dodatno poboljšala učinkovitost detekcije.

Ovaj svestrani pristup ima potencijal za različita područja koja zahtijevaju detekciju plina visoke osjetljivosti, uključujući praćenje okoliša, kontrolu industrijskih procesa, biomedicinsku dijagnozu i sigurnost.

Zaključak

Ukratko, novi pristup korištenja VG značajno je poboljšao osjetljivost detekcije PAS-a, postigavši ​​granicu detekcije od 1,3 ppb. Ova je metoda jednostavna, robusna i svestrana, s potencijalnim primjenama za otkrivanje različitih vrsta plinova i integraciju s drugim tehnikama koje se temelje na PAS-u.

Autori su predložili daljnju optimizaciju dizajna ćelije za obogaćivanje i sustava grijanja kako bi se proširila njegova upotreba za otkrivanje dodatnih plinova.