Forskare vid Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) har utvecklat en enhet som kan identifiera ett brett utbud av luftburna gaser och kemikalier direkt.

Den nya prototypen är portabel och lämplig för snabb utplacering av myndigheter för att identifiera luftburna faror, såsom från små gasmolekyler som svaveldioxid. Det kan också identifiera större sammansatta molekyler som bensen, kända för att vara skadliga för människors hälsa.

Det kan ge realtidsövervakning av luftkvaliteten, till exempel under disutbrott, och hjälpa till att upptäcka gasläckor och industriell luftförorening.

Utvecklad av en forskargrupp ledd av docent Ling Xing Yi vid School of Physical and Mathematical Sciences, den nya tekniken rapporterades förra månaden i science journal ACS Nano .

Nuvarande metoder för att identifiera gaser i luften använder en laboratorieteknik som kallas gaskromatografi-masspektrometri (GC-MS), vilket är tillförlitligt men kräver långsam provtagning och tar mellan några timmar och några dagar att få resultat från luftprover.

Nödsituationer kräver en snabb och kontinuerlig analys av potentiell luftförorening, som efter en naturkatastrof, kemikaliespill eller olaglig dumpning av giftigt avfall, så att räddningspersonal kan vidta lämpliga åtgärder.

Hur den nya enheten fungerar

Den nya enheten använder en liten lapp gjord av ett speciellt poröst och metalliskt nanomaterial för att först fånga gasmolekyler. När en laser lyser på den från några meters avstånd, ljuset interagerar med gasmolekylerna, vilket gör att ljus med lägre energi sänds ut. När de analyseras, det ger en spektroskopisk avläsning i formatet för ett diagram.

Den spektroskopiska avläsningen fungerar som ett "kemiskt fingeravtryck" som motsvarar olika kemikalier som finns på plåstret. Hela processen tar cirka 10 sekunder att slutföra.

Dessa kemiska fingeravtryck från provet hänvisas till ett digitalt bibliotek med fingeravtryck för att snabbt avgöra vilka kemikalier som har upptäckts.

Känd som Raman -spektroskopi, detta är en sedan länge etablerad teknik för att identifiera kemiska ämnen. Vanligtvis, den har endast använts på fasta och flytande prover, eftersom gasformiga kemikalier är för utspädda för att lasern och detektorn ska kunna ta upp.

För att övervinna denna begränsning, Assoc Prof Ling och hennes doktorand student Phan Quang Gia Chuong utvecklade en speciell nanostruktur gjord av ett mycket poröst syntetiskt material som kallas en metall-organisk ram, som aktivt absorberar och fångar molekyler från luften in i en "bur".

Denna nanostruktur innehåller också nanopartiklar av metall, som ökar ljusintensiteten som omger molekylerna. Resultatet är en miljonfaldig förbättring av Raman-spektroskopisignalerna, vilket möjliggör identifiering av de fångade molekylerna.

Assoc Prof Ling sa att uppkomsten av uppfinningen utlöstes av en incident i Singapore, där det rapporterades om en stark gasliknande lukt över vissa delar av ön 2017. Orsaken bestämdes bara några dagar senare, och spårades till flyktiga organiska föreningar som släpptes ut av fabriker utanför Singapore.

Tillsammans med sin man, Dr. Phang In-Yee, en projektledare och forskare vid Institute of Materials Research and Engineering (IMRE), de konceptualiserade idén att identifiera gaser direkt på avstånd.

"Vår enhet kan fungera på distans, så driften av laserkameran och analys av kemikalier kan göras säkert på avstånd. Detta är särskilt användbart när det inte är känt om gaserna är hälsofarliga, " förklarar professor Ling, Chef för avdelningen för kemi &biologisk kemi vid NTU.

Lasern testades i experiment för att fungera upp till 10 meter bort och kan konstrueras för att nå längre avstånd. En annan möjlig metod är att använda chipet för att fånga upp gaser, som sedan analyseras med laser.

Ultrakänsligt och exakt resultat

I experiment, teamet visade att enheten kan identifiera luftburna molekyler som polyaromatiska kolväten (PAH), inklusive naftalen och derivat av bensen, en familj av färglösa industriella luftföroreningar som är kända för att vara mycket cancerframkallande.

Den kan detektera PAH i delar per miljard (ppb) koncentrationer i atmosfären samt utföra kontinuerlig övervakning av koncentrationen av olika typer av gaser som koldioxid (CO) ₂ ) i atmosfären, vilket kan vara ett användbart program i många industriella miljöer.

Lasern som används i enheten har en energiintensitet på 50 miliwatt, mer än sju gånger svagare än i andra tillämpningar av Raman-spektroskopi. Detta gör systemet säkrare att använda och mer energieffektivt.

Genom NTUitive, NTU:s innovations- och företagarföretag, teamet har ansökt om ett patent och kommersialiserar nu tekniken för användning i föroreningsövervakning, kemisk katastrofhantering, såväl som andra industriella tillämpningar.