Wetenschappers aan de Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) heeft een apparaat ontwikkeld dat een breed scala aan gassen en chemicaliën in de lucht onmiddellijk kan identificeren.

Het nieuwe prototype-apparaat is draagbaar en geschikt voor snelle inzet door instanties om gevaren in de lucht te identificeren, zoals van kleine gasmoleculen zoals zwaveldioxide. Het kan ook grotere samengestelde moleculen identificeren, zoals benzeen, waarvan bekend is dat ze schadelijk zijn voor de menselijke gezondheid.

Het kan real-time monitoring van de luchtkwaliteit bieden, zoals tijdens het uitbreken van nevel, en helpen bij het opsporen van gaslekken en industriële luchtvervuiling.

Ontwikkeld door een onderzoeksteam onder leiding van universitair hoofddocent Ling Xing Yi aan de School of Physical and Mathematical Sciences, de nieuwe technologie werd vorige maand gerapporteerd in wetenschappelijk tijdschrift ACS Nano .

De huidige methoden voor het identificeren van gassen in de lucht maken gebruik van een laboratoriumtechniek genaamd Gas Chromatography-Mass Spectrometry (GC-MS), dat is betrouwbaar, maar vereist een moeizame monstername en het duurt enkele uren tot een paar dagen om resultaten van luchtmonsters te verkrijgen.

Noodscenario's vereisen een snelle en voortdurende analyse van mogelijke luchtverontreiniging, zoals na een natuurramp, chemische lekkage of illegale dumping van giftig afval, zodat hulpverleners passende maatregelen kunnen nemen.

Hoe het nieuwe apparaat werkt

Het nieuwe apparaat maakt gebruik van een kleine patch gemaakt van een speciaal poreus en metallisch nanomateriaal om eerst gasmoleculen op te vangen. Als er van een paar meter afstand een laser op schijnt, het licht interageert met de gasmoleculen, waardoor licht met een lagere energie wordt uitgestraald. Bij analyse, het geeft een spectroscopische uitlezing in de vorm van een grafiek.

De spectroscopische uitlezing werkt als een "chemische vingerafdruk" die overeenkomt met verschillende chemicaliën die op de pleister aanwezig zijn. Het hele proces duurt ongeveer 10 seconden om te voltooien.

Deze chemische vingerafdrukken van het monster worden vergeleken met een digitale bibliotheek met vingerafdrukken om snel te bepalen welke chemicaliën zijn gedetecteerd.

Bekend als Raman-spectroscopie, dit is een al lang bestaande techniek voor het identificeren van chemische stoffen. Typisch, het is alleen gebruikt op vaste en vloeibare monsters, aangezien gasvormige chemicaliën te verdund zijn om door de laser en de detector te worden opgepikt.

Om deze beperking te overwinnen, Assoc Prof Ling en haar Ph.D. student Mr Phan Quang Gia Chuong ontwikkelde een speciale nanostructuur gemaakt van een zeer poreus synthetisch materiaal dat bekend staat als een metaal-organisch raamwerk, die actief moleculen uit de lucht absorbeert en opsluit in een 'kooi'.

Deze nanostructuur bevat ook metalen nanodeeltjes, die de intensiteit van het licht rond de moleculen versterken. Het resultaat is een miljoenvoudige verbetering in de Raman-spectroscopiesignalen, wat de identificatie van de gevangen moleculen mogelijk maakt.

Assoc Prof Ling zei dat het ontstaan ​​van de uitvinding werd aangewakkerd door een incident in Singapore, waar in 2017 melding werd gemaakt van een sterke gasachtige geur over bepaalde delen van het eiland. De oorzaak werd pas enkele dagen later vastgesteld, en werd herleid tot vluchtige organische stoffen die vrijkwamen door fabrieken buiten Singapore.

Samen met haar man, Dr. Phang In-Yee, een projectleider en wetenschapper bij het Institute of Materials Research and Engineering (IMRE), ze bedachten het idee om gassen direct vanaf een afstand te identificeren.

"Ons apparaat kan op afstand werken, zodat de bediening van de lasercamera en analyse van chemicaliën veilig op afstand kan worden gedaan. Dit is vooral handig wanneer niet bekend is of de gassen gevaarlijk zijn voor de menselijke gezondheid, " legt Assoc Prof Ling uit, Afdelingshoofd Chemie &Biologische Chemie bij NTU.

De laser is in experimenten getest om tot 10 meter afstand te werken en kan worden ontworpen om grotere afstanden te bereiken. Een andere mogelijke methode is om de chip te gebruiken om gassen op te vangen, die vervolgens met een laser wordt geanalyseerd.

Ultragevoelig en nauwkeurig resultaat

Bij experimenten, het team toonde aan dat het apparaat moleculen in de lucht kan identificeren, zoals polyaromatische koolwaterstoffen (PAK), met inbegrip van naftaleen en derivaten van benzeen, een familie van kleurloze industriële luchtverontreinigende stoffen waarvan bekend is dat ze zeer kankerverwekkend zijn.

Het kan PAK's detecteren in part-per-billion (ppb) concentraties in de atmosfeer en het kan ook continu de concentratie van de verschillende soorten gassen zoals koolstofdioxide (CO ₂ ) in de atmosfeer, wat een nuttige toepassing zou kunnen zijn in veel industriële omgevingen.

De laser die in het apparaat wordt gebruikt, heeft een energie-intensiteit van 50 miliwatt, meer dan zeven keer zwakker dan in andere toepassingen van Raman-spectroscopie. Dit maakt het systeem veiliger in gebruik en energiezuiniger.

Via NTUitive, NTU's innovatie- en ondernemingsbedrijf, het team heeft een patent aangevraagd en commercialiseert nu de technologie voor gebruik bij het monitoren van vervuiling, reactie op chemische rampen, evenals andere industriële toepassingen.