دانشمندان دانشگاه اشتوتگارت روشی نوین به نام طیف‌سنجی فوتوآکوستیک کوارتز تحکیم‌شده با کنترل همدوس را توسعه داده‌اند که امکان شناسایی و تحلیل گازها در غلظت‌های بسیار پایین را با سرعت و دقت بالا فراهم می‌کند.
این فناوری که می‌تواند در پایش محیط‌زیست، تشخیص زودهنگام سرطان و ایمنی فرآیند‌های شیمیایی کاربرد داشته باشد، تجزیه و تحلیل گازها را در زمان چند ثانیه ممکن می‌سازد؛ فرآیندی که پیش‌تر نیاز به زمان زیادی داشت.
تحولی در تشخیص گاز‌های کمیاب
پژوهشگران با ارائه روشی تازه برای شناسایی و تحلیل گاز‌های کمیاب، افق‌های جدیدی برای گسترش حسگر‌های حساس و بلادرنگ در حوزه‌هایی همانند پایش محیط‌زیست، تحلیل تنفس در پزشکی و کنترل فرآیند‌های شیمیایی گشوده‌اند.
این روش که با نام طیف‌سنجی فوتوآکوستیک کوارتز تحکیم‌شده با کنترل همدوس شناخته می‌شود، محدودیت‌های راه‌حل‌های حاضر را پشت سر گذاشته است. سیمون انگستنبرگر، سرپرست تیم تحقیقاتی دانشگاه اشتوتگارت، می‌گوید این روش نیازی به دانش قبلی در مورد نوع گاز حاضر ندارد و محدود به گاز‌های خاص نیست.
این تیم با بهره‌گیری از این فناوری موفق به شناسایی کامل طیف متان (از ۳۰۵۰ تا ۳۴۵۰ نانوم‌تر) در تنها سه ثانیه شدند؛ فرآیندی که طبق معمول نزدیک به ۳۰ دقیقه زمان می‌برد.
انگستنبرگر افزود این فناوری می‌تواند برای پایش تغییرات اقلیمی از طریق شناسایی گاز‌های گلخانه‌ای همانند متان، که عامل مهمی در تغییرات اقلیمی است، به کار رود. همچنین در تشخیص زودهنگام سرطان از طریق تحلیل تنفس و در کارخانه‌های شیمیایی برای شناسایی نشت گاز‌های سمی یا قابل اشتعال و کنترل فرآیند‌ها کاربرد دارد.
جهشی فناورانه در طیف‌سنجی
طیف‌سنجی با شناسایی ویژگی‌های جذب نور هر ماده، از جمله گازها، آن‌ها را تحلیل می‌کند؛ این ویژگی‌ها همچون اثر انگشت برای هر گاز منحصر به فرد هستند. با این حال، شناسایی سریع گازها در غلظت‌های پایین، نیازمند لیزری با قابلیت تنظیم سریع طول‌موج و یک مکانیزم حساس تشخیص است.
در این پژوهش، محققان از لیزری بسیار سریع با طول‌موج قابل تنظیم بهره گرفتند که توسط شرکت، یک استارتاپ وابسته به دانشگاه، توسعه یافته است. همچنین از طیف‌سنجی فوتوآکوستیک کوارتز (QEPAS) به عنوان مکانیزم حساس تشخیص استفاده شد.
این روش از یک چنگال تنظیم کوارتز برای تشخیص جذب گاز بهره می‌برد که با اندازه‌گیری ارتعاشات الک‌ترونیکی در فرکانس ۱۲،۴۲۰ هرتز، که توسط لیزر تشکیل می‌شود، گاز را شناسایی می‌کند.
انگستنبرگر توضیح داد هرچند کیفیت بالای چنگال تنظیم امکان شناسایی غلظت‌های پایین را از طریق تقویت تشدیدی فراهم می‌کند، اما باعث کاهش شدت ثبت داده‌ها می‌شود. برای تسلط بر این مشکل، ما از ترفندی به نام کنترل همدوس بهره گرفتیم. با تنظیم دقیق زمان‌بندی پالس‌های لیزر به‌گونه‌ای که نوسانات چنگال افت یابد، امکان ثبت سریع‌تر و دقیق‌تر داده‌ها فراهم شد.
تحولی در شدت شناسایی گازها
این فناوری با بهره‌گیری از طیف‌نگاری فوق سریع و تشخیص اثرات ارتعاشی و چرخشی گازها، قابلیت شناسایی بلادرنگ گازها را دارد. برخلاف راه‌حل‌های سنتی، که محدود به گاز‌های خاص یا قله‌های جذبی منفرد بودند، این فناوری طیف گسترده‌ای از ۱.۳ تا ۱۸ می‌کروم‌تر را پوشش می‌دهد و تقریبا هر گاز کمیابی را می‌تواند شناسایی کند.
پژوهشگران این فناوری را با بهره‌گیری از لیزر توسعه‌یافته توسط و یک سلول گازی QEPAS برای تحلیل مخلوط متان با غلظت ۱۰۰ تکه در می‌لیون آزمایش کردند. آن‌ها نشان دادند که در راه‌حل‌های سنتی، شدت بالای اسکن باعث تار شدن اثر انگشت طیفی می‌شود، اما با روش کنترل همدوس، این اثر انگشت کاملا شفاف و دقیق باقی می‌ماند.
محققان در قدم بعدی تصمیم دارند محدودیت‌های این فناوری را بررسی کنند تا حداکثر شدت و کم‌ترین غلظت قابل تشخیص را تعیین کنند. آن‌ها همچنین به دنبال بهره‌گیری از این روش برای شناسایی همزمان چندین گاز هستند.
