El profesor asociado Ling Xing Yi (derecha) con el estudiante de doctorado Phan Quang Gia Chuong (izquierda) operando el dispositivo láser analizador de gases que puede detectar gases y sustancias químicas en el aire al instante. Crédito:NTU Singapur
Científicos de la Universidad Tecnológica de Nanyang, Singapur (NTU Singapur) ha desarrollado un dispositivo que puede identificar instantáneamente una amplia gama de gases y productos químicos en el aire.
El nuevo dispositivo prototipo es portátil y adecuado para que las agencias lo implementen rápidamente para identificar peligros en el aire. como de pequeñas moléculas de gas como el dióxido de azufre. También puede identificar moléculas de compuestos más grandes como el benceno, conocido por ser perjudicial para la salud humana.
Puede proporcionar un monitoreo en tiempo real de la calidad del aire, como durante los brotes de neblina, y ayudar en la detección de fugas de gas y contaminación industrial del aire.
Desarrollado por un equipo de investigación dirigido por el profesor asociado Ling Xing Yi en la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas, La nueva tecnología se informó el mes pasado en la revista científica. ACS Nano .
Los métodos actuales para identificar gases en el aire utilizan una técnica de laboratorio llamada Cromatografía de gases-Espectrometría de masas (GC-MS), que es confiable pero requiere una tediosa recolección de muestras y toma entre unas pocas horas y algunos días obtener resultados a partir de muestras de aire.
Los escenarios de emergencia requieren un análisis rápido y continuo de la posible contaminación del aire, como después de un desastre natural, derrames químicos o vertidos ilegales de desechos tóxicos, para que los socorristas puedan tomar las medidas adecuadas.
Un láser Raman brillando en el chip especial, que atrapa gases y amplifica las señales láser, permitiendo un análisis rápido. Crédito:NTU Singapur
Cómo funciona el nuevo dispositivo
El nuevo dispositivo utiliza un pequeño parche hecho de un nanomaterial metálico y poroso especial para atrapar primero las moléculas de gas. Cuando se le ilumina con un láser desde unos metros de distancia, la luz interactúa con las moléculas de gas, provocando la emisión de luz de menor energía. Cuando se analiza, da una lectura espectroscópica en el formato de un gráfico.
La lectura espectroscópica actúa como una "huella química" correspondiente a varios productos químicos presentes en el parche. Todo el proceso tarda unos 10 segundos en completarse.
Estas huellas dactilares químicas de la muestra se comparan con una biblioteca digital de huellas dactilares para determinar rápidamente qué sustancias químicas se han detectado.
Conocido como espectroscopia Raman, esta es una técnica de larga data para identificar sustancias químicas. Típicamente, se ha utilizado solo en muestras sólidas y líquidas, ya que los productos químicos gaseosos están demasiado diluidos para que el láser y el detector los capten.
Para superar esta limitación, Assoc Prof Ling y su Ph.D. El estudiante, el Sr.Phan Quang Gia Chuong, desarrolló una nanoestructura especial hecha de un material sintético altamente poroso conocido como marco metalorgánico, que absorbe y atrapa activamente las moléculas del aire en una "jaula".
Esta nanoestructura también contiene nanopartículas metálicas, que aumentan la intensidad de la luz que rodea a las moléculas. El resultado es una mejora de un millón de veces en las señales de espectroscopía Raman, lo que permite la identificación de las moléculas atrapadas.
El profesor asociado de NTU Ling Xing Yi (izquierda) y el estudiante de doctorado Phan Quang Gia Chuong, sosteniendo su chip especialmente diseñado que puede atrapar moléculas de gas. Crédito:NTU Singapur
Assoc Prof Ling dijo que la génesis de la invención fue provocada por un incidente en Singapur, donde hubo informes de un fuerte olor a gas en ciertas partes de la isla en 2017. La causa solo se determinó unos días después, y se rastreó hasta compuestos orgánicos volátiles liberados por fábricas fuera de Singapur.
Junto con su esposo, Dr. Phang In-Yee, líder de proyecto y científico del Instituto de Investigación e Ingeniería de Materiales (IMRE), conceptualizaron la idea de identificar gases instantáneamente desde la distancia.
"Nuestro dispositivo puede funcionar de forma remota, para que el funcionamiento de la cámara láser y el análisis de productos químicos se puedan realizar de forma segura a distancia. Esto es especialmente útil cuando no se sabe si los gases son peligrosos para la salud humana. "explica Assoc Prof Ling, Jefe de la División de Química y Química Biológica de NTU.
El láser se probó en experimentos para trabajar hasta 10 metros de distancia y puede diseñarse para alcanzar distancias mayores. Otro método posible es utilizar el chip para capturar gases, que posteriormente se analiza con un láser.
Resultado ultrasensible y preciso
En experimentos, el equipo demostró que el dispositivo puede identificar moléculas en el aire como los hidrocarburos poliaromáticos (PAH), incluyendo naftaleno y derivados del benceno, una familia de contaminantes industriales incoloros del aire que se sabe que son altamente cancerígenos.
Puede detectar PAH en concentraciones de partes por billón (ppb) en la atmósfera, así como realizar un monitoreo continuo de la concentración de los diferentes tipos de gases como el dióxido de carbono (CO 2 ) en la atmósfera, que podría ser una aplicación útil en muchos entornos industriales.
El láser utilizado en el dispositivo tiene una intensidad energética de 50 milivatios, más de siete veces más débil que en otras aplicaciones de espectroscopía Raman. Esto hace que el sistema sea más seguro de operar y más eficiente energéticamente.
A través de NTUitive, La empresa empresarial e innovadora de NTU, el equipo ha solicitado una patente y ahora está comercializando la tecnología para su uso en el control de la contaminación, respuesta a desastres químicos, así como otras aplicaciones industriales.
