Ученые из Наньянского технологического университета в Сингапуре (NTU Singapore) разработали устройство, которое может мгновенно определять широкий спектр находящихся в воздухе газов и химических веществ.
Новый прототип устройства является портативным и подходит для быстрого развертывания агентствами для выявления опасностей, переносимых по воздуху, таких как крошечные молекулы газа, такие как диоксид серы. Он также может идентифицировать более крупные молекулы соединений, такие как бензол, которые, как известно, вредны для здоровья человека.
Он может обеспечить мониторинг качества воздуха в режиме реального времени, например, во время вспышек дымки, и помочь в обнаружении утечек газа и промышленного загрязнения воздуха.
Разработанная исследовательской группой под руководством доцента Лин Син И из Школы физико-математических наук, новая технология была опубликована в прошлом месяце в научном журнале ACS Nano.
Существующие методы идентификации газов в воздухе используют лабораторный метод, называемый газовой хроматографией-масс-спектрометрией (ГХ-МС), который надежен, но требует утомительного сбора проб и получения результатов от нескольких часов до нескольких дней. из проб воздуха.
Сценарии чрезвычайных ситуаций требуют быстрого и непрерывного анализа потенциального загрязнения воздуха, например, после стихийного бедствия, разлива химикатов или незаконного сброса токсичных отходов, чтобы аварийно-спасательные службы могли принять соответствующие меры.
Как работает новое устройство
В новом устройстве используется небольшой пластырь из специального пористого металлического наноматериала, который сначала улавливает молекулы газа. Когда на него светит лазер с расстояния в несколько метров, свет взаимодействует с молекулами газа, вызывая излучение света с более низкой энергией. При анализе он дает спектроскопические данные в формате графической диаграммы.
Спектроскопические показания действуют как «химические отпечатки пальцев», соответствующие различным химическим веществам, присутствующим на пластыре. Весь процесс занимает около 10 секунд.
Эти химические отпечатки из образца сверяются с цифровой библиотекой отпечатков пальцев, чтобы быстро определить, какие химические вещества были обнаружены.
Известная как рамановская спектроскопия, это давно зарекомендовавший себя метод идентификации химических веществ. Как правило, он использовался только для твердых и жидких образцов, поскольку газообразные химические вещества слишком разбавлены для обнаружения лазером и детектором.
Чтобы преодолеть это ограничение, доцент Линг и ее аспирант г-н Фан Куанг Джиа Чуонг разработали специальную наноструктуру из высокопористого синтетического материала, известного как металлоорганический каркас, который активно поглощает и улавливает молекулы из воздуха. в «клетку».
Эта наноструктура также содержит наночастицы металлов, которые повышают интенсивность света, окружающего молекулы. Результатом является миллионное усиление сигналов рамановской спектроскопии, что позволяет идентифицировать захваченные молекулы.
Доцент профессор Линг сказал, что происхождение изобретения было вызвано инцидентом в Сингапуре, где в 2017 году поступали сообщения о сильном газовом запахе над некоторыми частями острова. Причина была установлена только через несколько дней. позже и был прослежен до летучих органических соединений, выпускаемых заводами за пределами Сингапура.
Вместе со своим мужем, доктором Пханг Ин-Йи, руководителем проекта и научным сотрудником Института исследования материалов и инженерии (IMRE), они разработали концепцию мгновенной идентификации газов на расстоянии.
Наше устройство может работать удаленно, поэтому работу лазерной камеры и анализ химических веществ можно безопасно выполнять на расстоянии. Это особенно полезно, когда неизвестно, опасны ли газы для здоровья человека», - объясняет доцент Линг, заведующий кафедрой химии и биологической химии НТУ.
Лазер был испытан в экспериментах для работы на расстоянии до 10 метров и может быть сконструирован для работы на больших расстояниях. Другой возможный метод - использование чипа для улавливания газов, которые затем анализируются с помощью лазера.
Сверхчувствительный и точный результат
В ходе экспериментов команда показала, что устройство может идентифицировать переносимые по воздуху молекулы, такие как полиароматические углеводороды (ПАУ), включая нафталин и производные бензола, семейство бесцветных промышленных загрязнителей воздуха, которые, как известно, обладают высокой канцерогенностью.
Он может обнаруживать ПАУ в концентрациях в несколько частей на миллиард (ppb) в атмосфере, а также выполнять непрерывный мониторинг концентрации различных типов газов, таких как углекислый газ (CO2), в атмосфере, которые могут быть полезное приложение во многих промышленных условиях.
Лазер, используемый в устройстве, имеет мощность 50 милливатт, что более чем в семь раз слабее, чем в других приложениях рамановской спектроскопии. Это делает систему более безопасной в эксплуатации и более энергоэффективной.
Через NTUitive, инновационную и корпоративную компанию NTU, команда подала заявку на патент и в настоящее время коммерциализирует технологию для использования в мониторинге загрязнения, реагировании на химические катастрофы, а также в других промышленных приложениях.