Tehnologija senzora: Nova metoda za praćenje plinova u stvarnom vremenu

Otkrivanje i identificiranje plinova u vrlo niskim koncentracijama: Istraživači sa Sveučilišta u Stuttgartu mogu to učiniti u samo nekoliko sekundi, oko 600 puta brže nego prije. Njihova inovativna metoda mjerenja ima značajan potencijal za praćenje u stvarnom vremenu u sektorima zaštite okoliša, zdravlja i industrije.

Većina plinova, poput metana, koji je štetan za okoliš, pojavljuje se u vrlo malim koncentracijama. Međutim, sposobnost otkrivanja i kontrole plinova čak i u niskim koncentracijama važna je za mnoge industrije i primjene. Istraživački tim Simona Angstenbergera s 4. Instituta za fiziku Sveučilišta u Stuttgartu razvio je i uspješno testirao novu metodu mjerenja. Omogućuje praćenje velikog broja plinova u stvarnom vremenu. Istraživači objašnjavaju kako to funkcionira u stručnom časopisu “Optica”.

Otkrivanje stakleničkih plinova, stanica raka i curenja plina

Za razliku od konvencionalnih metoda koje otkrivaju plinove u tragovima, nova tehnologija nije ograničena na specifične plinove i ne zahtijeva prethodno znanje o plinu koji bi mogao biti prisutan. Namjera mu je postaviti temelje za korištenje visokoosjetljivih senzora u stvarnom vremenu u raznim područjima. Profesor Harald Giessen, voditelj 4. Instituta za fiziku, objašnjava: “Ova bi se tehnologija mogla, na primjer, koristiti za praćenje emisija i otkrivanje stakleničkih plinova poput metana, koji uvelike doprinose klimatskim promjenama.” “Također bi se potencijalno mogao koristiti za rano otkrivanje raka analizom daha. A mogao bi se koristiti u postrojenjima za kemijsku proizvodnju, na primjer za otkrivanje curenja toksičnih ili zapaljivih plinova ili za kontrolu procesa.”

Određivanje otiska plina

Plinovi se otkrivaju pomoću spektroskopije. Ova metoda mjeri svjetlost koju plin “hvata”. Koja se valna duljina svjetlosti apsorbira do koje mjere je jedinstvena za svaku molekulu. To znači da svaki plin ostavlja “otisak prsta”. Za brzo otkrivanje niskih koncentracija plina potreban je laser s brzo podesivom valnom duljinom. Takav laser radi poput žice za gitaru, koja se može brzo ugoditi skraćivanjem ili produljivanjem. Međutim, to također zahtijeva iznimno osjetljiv mehanizam detekcije i preciznu elektroničku kontrolu nad laserskim vremenskim podešavanjem—osiguravajući da se svaki laserski impuls aktivira u točno pravom trenutku za mjerenja.

Detekcija s kvarcnom vilicom za ugađanje

Istraživači su koristili laser s iznimno brzom podesivom valnom duljinom koju je razvio Stuttgart Instruments GmbH, spin-off Sveučilišta u Stuttgartu. Kombinirali su je s takozvanom QEPAS metodom. QEPAS je kratica za “kvarcno poboljšanu fotoakustičnu spektroskopiju” – vrlo osjetljivu metodu koja se koristi za otkrivanje najmanjih koncentracija plina. Kvarcna vilica za ugađanje stimulira se brzim laserskim impulsima. Laser povremeno zagrijava plin između zubaca vilice za ugađanje. Toplina proizvedena dok plin apsorbira svjetlost stvara zvučne valove točno između zubaca vilice za ugađanje, uzrokujući njihovo pomicanje prema van. Ovaj proces se ponavlja i vilica za ugađanje počinje vibrirati. Laser i vilica za ugađanje rade na istoj frekvenciji. To povećava preciznost, ali ograničava brzinu snimanja. Razlog je sljedeći: “Kako bismo uhvatili cijeli spektar, moramo izmjeriti mnogo različitih valnih duljina jednu za drugom”, objašnjava Angstenberger. Budući da vilica vibrira, zaostali signal iz prethodnog mjerenja detektira se u svakom novom mjerenju. To znači da moramo nekako zaustaviti kretanje.”

Koherentna kontrola spektroskopije

Kako bi riješili ovaj problem, istraživači su razvili novu metodu koja se temelji na poznatim principima mjerenja u atomskoj fizici: koherentna kontrola. Čineći to, oni pomiču vrijeme laserskih impulsa za točno pola ciklusa titranja. Frekvencija laserskog pulsa ostaje nepromijenjena. Kao rezultat toga, laserski puls dopire do plina između vilice kada se zupci pomiču prema unutra. To prigušuje vibracije vilice. „Kada se plin zagrije i proširi, on sprječava kretanje zubaca. Vilica prestaje vibrirati i može se izvršiti sljedeće mjerenje,” kaže Angstenberger.

Ultra brza identifikacija plina

“Dodavanje koherentne kontrole QEPAS-u omogućuje ultra brzu identifikaciju plinova na temelju njihovih specifičnih otisaka”, kaže fizičar. To omogućuje otkrivanje gotovo svih plinskih tragova u stvarnom vremenu. Koristeći tehniku ​​poznatu kao koherentno kontrolirana fotoakustička spektroskopija poboljšana kvarcom, istraživači su uspješno uhvatili kompletan spektar metana od 3050 do 3450 nanometara u samo tri sekunde—proces koji obično traje oko 30 minuta. Izmjerena koncentracija bila je 100 molekula metana na milijun molekula zraka. To znači da se metan može detektirati novom metodom čak i ako izlazi samo u razrijeđenom obliku.

Proces je uspješno testiran

Testovi su također otkrili da kod konvencionalne QEPAS metode prebrzo podešavanje uzrokuje zamućenje spektralnog otiska molekula plina. Nasuprot tome, metoda koherentne kontrole čuva jasan i nepromijenjen spektralni potpis. U sljedećem koraku Angstenberger i njegov tim žele istražiti granice nove tehnologije. Cilj je odrediti maksimalnu brzinu i najnižu mjerljivu koncentraciju plina te ispitati više plinova istovremeno. “Postavili smo temelje za tehnologiju koju sada želimo dalje razvijati za tržište”, kaže Angstenberger.