Spektroskopi Miniatur Memberikan Pemantauan Waktu Nyata di Ruang Sempit

Spektrometer serat optik lengkap menawarkan desain skala mikro kompak dengan kinerja setara dengan sistem berbasis laboratorium tradisional.

Sistem spektroskopi miniatur yang mampu mendeteksi konsentrasi jejak pada tingkat bagian per miliar (ppb) sangat penting untuk aplikasi seperti pemantauan lingkungan, pengendalian proses industri, dan diagnostik biomedis.

Namun, sistem spektroskopi bench-top konvensional seringkali terlalu besar, rumit, dan tidak praktis untuk digunakan di ruang terbatas. Teknik spektroskopi laser tradisional mengandalkan komponen besar—termasuk sumber cahaya, cermin, detektor, dan sel gas—untuk mengukur penyerapan atau hamburan cahaya. Hal ini membuatnya tidak cocok untuk aplikasi invasif minimal, seperti diagnostik intravaskular, yang mengutamakan kekompakan dan presisi.

Dalam sebuah penelitian yang diterbitkan di Fotonik Tingkat Lanjutpeneliti dari Tiongkok meluncurkan spektrometer fotoakustik semua serat miniatur (FPAS) yang inovatif. Perangkat inovatif ini dapat mendeteksi jejak gas pada tingkat ppb dan menganalisis sampel skala nanoliter dengan waktu respons milidetik, sehingga sangat cocok untuk analisis gas intravaskular berkelanjutan.

“Kami berusaha mengatasi tantangan signifikan dalam memperkecil spektrometer fotoakustik saat ini menjadi ukuran skala mikro sambil mempertahankan kinerja penginderaannya yang tinggi, khususnya untuk diagnosis intravaskular dan pemantauan kesehatan baterai litium yang memerlukan invasif minimal,” jelas Profesor Bai-Ou Guan dari Universitas Jinan. penulis artikel yang bersangkutan.

Memanfaatkan Spektroskopi Fotoakustik

Meskipun sistem spektroskopi laser saat ini, sebagian besar dalam konfigurasi jalur terbuka, memiliki sensitivitas yang semakin kecil seiring dengan penggunaan perangkat, FPAS yang diusulkan beroperasi menggunakan spektroskopi fotoakustik (PAS), yang mendeteksi gelombang suara yang dihasilkan oleh molekul gas ketika tereksitasi oleh cahaya termodulasi. .

Daripada menggunakan sel gas resonansi besar untuk amplifikasi akustik atau mikrofon berukuran besar untuk sensitivitas akustik yang lebih tinggi seperti sistem PAS tradisional, spektrometer fotoakustik semua serat mengintegrasikan membran elastis berpola laser ke dalam ujung serat optik tunggal dengan bagian kapiler silika untuk membangun rongga Fabry – Perot (F – P) skala mikro. Rongga silika bertindak sebagai batas kedap suara, secara efektif membatasi dan mengumpulkan gelombang akustik yang dihasilkan oleh molekul gas menuju membran fleksibel. Amplifikasi akustik lokal ini mengkompensasi hilangnya sensitivitas yang disebabkan oleh pengurangan diameter membran dan menghasilkan respons fotoakustik yang tidak bergantung pada ukuran.

Selain itu, berkas cahaya pompa dan probe dikirimkan langsung melalui serat yang sama untuk eksitasi dan deteksi sinyal fotoakustik, menghindari optik ruang bebas yang besar untuk pengiriman cahaya.

Desain Ringkas dan Bertenaga

Dengan rongga F – P hanya berukuran 60 mikrometer (1 µm = 10^-6 m) dengan panjang dan diameter 125 µm, sistem ini sangat kompak. Meskipun ukurannya kecil, alat ini mencapai batas deteksi gas asetilena serendah 9 ppb, yang hampir sama sensitifnya dengan spektrometer laboratorium tradisional yang lebih besar. Panjang rongga yang pendek juga memungkinkan pengukuran ultracepat, dengan waktu respons secepat 18 milidetik, yaitu 2 hingga 3 kali lipat lebih cepat dibandingkan sistem spektroskopi fotoakustik konvensional.

Para peneliti berhasil memantau karbon dioksida (CO2) secara real-time₂) konsentrasi dalam gas yang mengalir, mendeteksi fermentasi dalam larutan ragi dengan volume sampel sekecil 100 nanoliter, dan melacak CO terlarut₂ kadar dalam pembuluh darah tikus secara alami dengan memasukkan FPAS ke vena ekor melalui jarum suntik. “Spektrometer secara efektif mengukur CO₂ tingkat di bawah hipoksia (oksigen rendah) dan hiperkapnia (CO tinggi₂), menyoroti potensi pemantauan gas darah intravaskular secara real-time tanpa memerlukan pengumpulan sampel darah,” jelas Associate Professor Jun Ma dari Universitas Jinan.

Selain itu, serat optik dapat dengan mudah dihubungkan ke sumber laser umpan balik terdistribusi berbiaya rendah dan terintegrasi dengan jaringan serat optik yang ada, menjadikan sistem ini solusi spektroskopi yang hemat biaya, ringkas, dan fleksibel.

Dengan ukurannya yang kecil, sensitivitas tinggi, dan kebutuhan volume sampel yang rendah, spektrometer miniatur yang diusulkan memberikan presisi tingkat laboratorium dalam format probe skala mikro, dengan potensi untuk aplikasi seperti pemantauan gas darah intravaskular berkelanjutan, penilaian kesehatan invasif minimal pada baterai lithium-ion. , dan deteksi kebocoran gas eksplosif dari jarak jauh di ruang yang sangat sempit.

Referensi: “Spektroskopi fotoakustik serat skala mikro untuk penginderaan gas jejak in situ dan real-time” oleh Jun Ma, Enbo Fan, Haojie Liu, Yi Zhang, Cong Mai, Xin Li, Wei Jin dan Bai-Ou Guan, 17 Desember 2024, Fotonik Tingkat Lanjut.
DOI: 10.1117/1.AP.6.6.066008