Luftbårne kemikalier identificeres øjeblikkeligt ved hjælp af ny teknologi

Forskere ved Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) har udviklet en enhed, der kan identificere en lang række luftbårne gasser og kemikalier med det samme.

Den nye prototypeenhed er bærbar og egnet til hurtig implementering af agenturer for at identificere luftbårne farer, fra små gasmolekyler som svovldioxid. Det kan også identificere større sammensatte molekyler såsom benzen, kendt for at være skadelig for menneskers sundhed.

Det kan give realtidsovervågning af luftkvaliteten, såsom under disudbrud, og hjælpe med påvisning af gaslækager og industriel luftforurening.

Udviklet af et forskerhold ledet af lektor Ling Xing Yi ved School of Physical and Mathematical Sciences, den nye teknologi blev rapporteret i sidste måned i science journal ACS Nano .

Nuværende metoder til at identificere gasser i luften bruger en laboratorieteknik kaldet gaskromatografi-massespektrometri (GC-MS), som er pålidelig, men kræver kedelig prøveindsamling og tager mellem et par timer og et par dage at opnå resultater fra luftprøver.

Nødscenarier kræver en hurtig og løbende analyse af potentiel luftforurening, som efter en naturkatastrofe, kemikalieudslip eller ulovlig dumpning af giftigt affald, så beredskabspersonalet kan træffe passende foranstaltninger.

Sådan fungerer den nye enhed

Den nye enhed bruger et lille plaster lavet af et specielt porøst og metallisk nanomateriale til først at fange gasmolekyler. Når en laser lyser på den fra få meters afstand, lyset interagerer med gasmolekylerne, forårsager, at der udsendes lys med lavere energi. Når de analyseres, det giver en spektroskopisk udlæsning i formatet af et grafdiagram.

Den spektroskopiske udlæsning fungerer som et "kemisk fingeraftryk", der svarer til forskellige kemikalier, der findes på plasteret. Hele processen tager omkring 10 sekunder at fuldføre.

Disse kemiske fingeraftryk fra prøven refereres til et digitalt bibliotek af fingeraftryk for hurtigt at bestemme, hvilke kemikalier der er blevet opdaget.

Kendt som Raman-spektroskopi, dette er en veletableret teknik til at identificere kemiske stoffer. Typisk, det er kun blevet brugt på faste og flydende prøver, da gasformige kemikalier er for fortyndede til, at laseren og detektoren kan opfange.

For at overvinde denne begrænsning, lektor Ling og hendes ph.d. studerende hr. Phan Quang Gia Chuong udviklede en speciel nanostruktur lavet af et meget porøst syntetisk materiale kendt som en metal-organisk ramme, som aktivt absorberer og fanger molekyler fra luften ind i et 'bur'.

Denne nanostruktur indeholder også metalnanopartikler, som øger intensiteten af ​​lyset omkring molekylerne. Resultatet er en million gange forbedring af Raman-spektroskopi-signalerne, som muliggør identifikation af de fangede molekyler.

Assoc Prof Ling sagde, at opfindelsens tilblivelse blev udløst af en hændelse i Singapore, hvor der var meldinger om en kraftig gaslignende lugt over visse dele af øen i 2017. Årsagen blev først fastlagt få dage senere, og blev sporet til flygtige organiske forbindelser frigivet af fabrikker uden for Singapore.

Sammen med sin mand, Dr. Phang In-Yee, en projektleder og videnskabsmand ved Institute of Materials Research and Engineering (IMRE), de konceptualiserede ideen om at identificere gasser øjeblikkeligt på afstand.

"Vores enhed kan fungere eksternt, så betjening af laserkameraet og analyse af kemikalier kan udføres sikkert på afstand. Dette er især nyttigt, når det ikke vides, om gasserne er farlige for menneskers sundhed, " forklarer professor Ling, Afdelingsleder for Kemi &Biologisk Kemi på NTU.

Laseren blev testet i eksperimenter til at arbejde op til 10 meter væk og kan konstrueres til at nå længere afstande. En anden mulig metode er at bruge chippen til at fange gasser, som efterfølgende analyseres med laser.

Ultrafølsomt og præcist resultat

I eksperimenter, holdet viste, at enheden kan identificere luftbårne molekyler såsom polyaromatiske kulbrinter (PAH), herunder naphthalen og derivater af benzen, en familie af farveløse industrielle luftforurenende stoffer, der er kendt for at være stærkt kræftfremkaldende.

Det kan detektere PAH'er i dele-per-milliard (ppb) koncentrationer i atmosfæren samt udføre kontinuerlig overvågning af koncentrationen af ​​de forskellige typer gasser som kuldioxid (CO) ₂ ) i atmosfæren, som kunne være en nyttig applikation i mange industrielle omgivelser.

Laseren, der bruges i enheden, har en energiintensitet på 50 miliwatt, mere end syv gange svagere end ved andre anvendelser af Raman-spektroskopi. Dette gør systemet mere sikkert at betjene og mere energieffektivt.

Gennem NTUitive, NTUs innovations- og virksomhedsvirksomhed, holdet har ansøgt om et patent og kommercialiserer nu teknologien til brug i forureningsovervågning, kemisk katastrofe reaktion, såvel som andre industrielle applikationer.