Bærbar gasdetektion krymper til nye dimensioner

En sensor til påvisning af giftige gasser er nu mindre, hurtigere og mere pålidelig. Dens ydeevne sætter den op til integration i et meget følsomt bærbart system til detektering af kemiske våben. Bedre miniaturesensorer kan også hurtigt opdage luftbårne toksiner, hvor de forekommer, leverer nøgleoplysninger for at hjælpe beredskabspersonale med at reagere sikkert og effektivt på en hændelse.

Kemisk identifikation involverer typisk at indsamle en prøve på stedet for en kemikaliefrigivelse og bringe den tilbage til et rum fyldt med udstyr, der betjenes af uddannet personale. Maskinerne sigter gennem en prøve af forskellige gasser og vejer molekylerne for at bestemme deres identitet. Og mens bærbare versioner af disse instrumenter, kendt som massespektrometre, er kommercielt tilgængelige, de er mindre følsomme end deres laboratoriebaserede modstykker.

I mere end 20 år har forskere ved Sandia National Laboratories har arbejdet på at undgå præstationsstraffen for bærbar gasdetektion. Deres sensorer anvender en teknik kaldet gaskromatografi, eller GC for kort.

Instrumenter i dokumentmappestørrelse fra Sandia har snuset efter nerve- og blisteragenser uafbrudt i 22 måneder i Bostons metro uden falsk alarm. Sensorer på størrelse med et AA-batteri kan registrere en forbindelse i sved, der signalerer smuglede mennesker. Håndholdte gassensorsystemer kan også overvåge afgrødes sundhed ved at identificere gasser, som planter frigiver, når de bliver stresset af tørke eller sygdom.

Nu, Joshua Whiting, en analytisk kemiker hos Sandia, og hans kolleger krympede deres sensor til omtrent på størrelse med en dollarseddel, mens de også øgede sensorens ydeevne. Systemet adskiller nu en gasprøve to gange - alligevel sker hele analysen på mindre end 10 sekunder. Det ekstra separationstrin reducerer interferens fra opløsningsmidler, rengøringsmidler og dieselbrændstof, der også kunne være i luften under en udgivelse af kemiske våben. Mindre interferens betyder også, at signalet for detekterede målforbindelser er mere pålideligt. "Den falske alarmrate for dette multidimensionelle GC-system er endnu lavere end før, " sagde Whiting.

I et papir for nylig offentliggjort i Lab on a Chip , forskerne brugte sensoren til at identificere hver ingrediens i en blanding på 29 på syv sekunder. Systemet detekterede også pålideligt forbindelser, der simulerer sennepsgas og fosfonatbaserede nervestoffer under 40 dages kontinuerlig drift.

"Med hurtig analyse, operatører kan lære om eksponering for giftige gasser i tide til, at folk kan tage personlige forholdsregler, evakuere et område og afbøde potentielle skader, " sagde Whiting. Tricket til den hurtige analyse er en trykventil i sensoren, der styrer, hvor hurtigt gasser strømmer gennem hvert separationstrin. Styring af dette flow med tryk betyder, at sensoren bruger mindre energi end tilsvarende temperaturkontrollerede systemer.

Energieffektivitet, kombineret med pålidelig detektion i en stadig mindre pakke, sætter forskerne op til den næste fase af projektet:opbygning af et fuldt bærbart analysesystem med integreret kemisk adskillelse, selektiv detektion og computeriseret dataanalyse, der fungerer lige så godt som - eller bedre end - laboratoriebaseret udstyr.

Størstedelen af ​​midlerne til forskning i mikrogassensing er kommet fra Defence Advanced Research Projects Agency (DARPA) og Defence Threat Reduction Agency (DTRA), sammen med nogle midler fra Sandias Laboratory Directed Research and Development-program. Forskerne søger nu finansiering til at bygge det integrerede system og til at inkorporere yderligere funktionaliteter, der kan konkurrere med udstyr i laboratorieskala.